铝箔包覆Ti-Al-V合金薄板渗铝动力学与组织结构研究

摘要

钛合金具有重量轻、密度小、比强度高等优点，在航空航天等工业领域得到广泛的应用。但是，在高温下使用时钛合金的氧化和氧脆成为影响其热稳定性的主要因素。渗铝是提高钛合金的高温使用性能最有效的方法之一。
　　本文采用铝箔包覆渗铝工艺，对电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的Ti-Al-V合金薄板进行渗铝处理，并对渗铝后的合金薄板进行热处理。采用光学金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对Ti-Al-V合金薄板渗铝层截面的微观形貌和元素分布进行分析研究。采用纳米显微硬度计测试渗铝薄板的显微硬度。采用X射线衍射仪(XRD)对合金薄板的渗铝层及扩散层的相组成进行分析。
　　研究结果表明，EB-PVD制备的Ti-Al-V合金薄板的主相为α-Ti固溶体，其组织均匀致密，晶粒细小，无裂纹和宏观缺陷。合金薄板在700℃、800℃和900℃渗铝后，渗层的主相为Al3Ti，其中还有少量的Al2Ti及TiAl相。渗层与基体之间的界面清晰平整，无过渡层。随着渗铝时间的延长，渗层与基体之间开始出现少量的互扩散，扩散区的界面清晰但不平整。渗层增厚动力学表明，渗层厚度随扩散温度的升高呈递增趋势，渗铝过程的动力学主要受Al在基体中的固态扩散所控制。渗铝层的纳米硬度约为9GPa，弹性模量约为200GPa，且硬度和模量在50～500nm内不随压痕深度的变化而变化。
　　在1000℃、1100℃下短时间热处理后，渗层与基体发生较多的互扩散，出现过渡层，层与层之间的界面清晰，1000℃热处理4h后，渗层与基体之间的过渡层变薄，层与层之间的衬度变小，界面逐渐变得不平整。1100℃热处理4h后，渗层与基体之间的扩散区中出现了Ti的富集。1000℃热处理0.5h后渗层的主相为Al3Ti，随着热处理时间的延长，Al3Ti层逐渐变薄，最后消失。1100℃热处理后渗层的主相为Al2Ti和TiAl。

目录

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摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术

1.2.1 电子束物理气相沉积技术的发展概述

1.2.2 电子束物理气相沉积技术的应用

1.3 钛合金的特点及应用

1.3.1 钛合金的特点

1.3.2 钛合金的应用

1.4 钛合金的高温氧化与防护

1.4.1 金属高温氧化定义

1.4.2 高温氧化的基本过程与影响因素

1.4.3 钛合金的氧化特征

1.4.4 提高钛合金抗氧化性能的几个途径

1.4.5 钛合金表面处理方法

1.5 钛合金渗铝技术

1.5.1 渗铝涂层形成条件

1.5.2 渗铝机理

1.5.3 渗铝方法

1.6 主要研究内容

第2章 材料的制备与试验研究方法

2.1 试验材料

2.1.1 Ti-Al-V合金薄板的制备

2.1.2 Ti-Al-V合金薄板铝箔包覆渗铝

2.1.3 Ti-Al-V合金渗铝薄板热处理

2.2 试样的制备

2.3 组织结构分析

2.3.1 光学金相(OM)观察

2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)分析

2.3.3 X射线衍射(XRD)分析

2.3.4 X射线光电子谱(XPS)分析

2.4 力学性能测试

第3章 Ti-Al-V合金薄板渗铝层组织与增厚动力学

3.1 EB-PVD制备态Ti-Al-V合金薄板组织结构

3.1.1 制备态Ti-Al-V合金薄板显微组织形貌与成分分布

3.1.2 制备态Ti-Al-V合金薄板相组成分析

3.2 700℃渗铝渗层的组织结构

3.2.1 组织形貌与成分分布

3.2.2 渗层相组成

3.3 800℃渗铝渗层的组织结构

3.3.1 组织形貌与成分分布

3.3.2 渗层相组成

3.4 900℃渗铝渗层的组织结构

3.4.1 组织形貌与成分分布

3.4.2 渗层相组成

3.5 渗层增厚动力学

3.5.1 渗铝时间对渗层厚度的影响

3.5.2 渗铝温度对渗层厚度的影响

3.5.3 渗铝扩散激活能的计算

3.6 渗铝层的形成机制

3.7 Ti-Al-V合金渗铝薄板力学性能测试

3.8 本章小结

第4章 热处理过程中Ti-Al-V合金薄板渗层组织演变

4.1 1000℃热处理Ti-Al-V合金薄板组织结构

4.1.1 渗层厚度变化

4.1.2 渗层组织形貌及成分分布

4.1.3 渗层相组成变化

4.2 1100℃热处理Ti-Al-V合金薄板渗层显微组织

4.2.1 渗层厚度变化

4.2.2 渗层组织形貌及成分分布

4.2.3 渗层相组成变化

4.3 讨论

4.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢