TiAl合金等离子表面渗Cr及抗高温氧化性能的研究

摘要

本文使用双层辉光离子渗金属技术，在TiAl合金表面进行渗Cr处理。通过优化工艺参数，得到与基体结合良好，具有一定厚度的渗Cr层。分析表面合金层的成分、组织、结构；对合金层的摩擦学性能进行考察，试验方式包括室温微动磨损及高温球盘磨损；在650℃、900℃、1000℃静止空气中的进行恒温氧化试验，对改性前后材料的氧化行为对比分析，并就其氧化机制进行了初步探讨；利用SRIM2003软件模拟双层辉光离子渗金属条件下粒子的碰撞，溅射率和吸收率与试验结果吻合，定量分析试样表面空位浓度。研究结果表明： 1、优化工艺参数下，TiAlCr合金层厚度60μm、成分呈梯度分布并与基体结合牢固；TiAlCr合金层微动磨损及500℃下高温磨损性能大幅提高，改变了粘着磨损机理。 2、TiAl合金在900℃氧化先形成θ-Al2O3，之后转变为α-Al2O3，期间伴随有裂纹产生，导致氧化膜开裂。 3、TiAl-Cr合金抗氧化性能，Cr的作用，1)首先在表面形成保护性膜Cr2O3，随着氧化时间延长，TiAl-Cr合金层具有自修复功能，继续生成Cr2O3薄膜；2)当表面不足以形成Cr2O3保护膜时，由于Cr取代合金中Ti的位置，降低Ti的活度，提高Al的活度，促进表面直接生成柱状α-Al2O3。 4、使用SRIM2003软件模拟粒子碰撞，源极的溅射率与基体的吸收率与试验结果基本吻合，溅射率达到1.0％。 5、在Cr+、Ar+粒子轰击下，TiAl试样表面形成的空位浓度约为0.2～0.5×10-4％，深度10A。

目录

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第一章绪论

1.1 Ti-Al基合金

1.1.1有序金属间化合物的研究现状及发展趋势

1.1.2γ-TiAl合金的结构、组织、性能

1.2 TiAl合金抗高温氧化研究进展

1.2.1合金元素对TiAl合金抗高温氧化性能的影响

1.2.2表面处理技术对TiAl合金抗高温氧化性能的影响

1.3双层辉光等离子渗金属技术

1.4辉光放电中粒子的碰撞

1.4.1辉光放电特性

1.4.2气体放电中粒子间的及气体粒子与固体表面间的相互作用

1.4.3阴极溅射规律

1.5课题的提出

1.5.1本课题提出的目的和意义

1.5.2本课题的主要研究内容

第二章试验设备、材料与方法

2.1渗金属试验设备及材料

2.1.1试验材料

2.1.2试验装置

2.1.3渗金属炉操作过程

2.2渗Cr 工艺试验方案

2.3检测仪器及方法

2.4氧化试验方案

第三章等离子渗Cr工艺优化

3.1 工艺参数的优化

3.1.1温度的影响

3.1.2 工作气压的影响

3.1.3压差的影响

3.2渗层成分及物相分析

3.3渗层硬度分布

3.4渗层厚度优化

3.4.1 900℃氧化动力学曲线

3.4.2 900℃氧化膜表面形貌及成分分析

3.5本章小结

第四章磨损性能

4.1试验材料

4.2微动磨损

4.3高温磨损

4.4本章小结

第五章TiAl合金渗Cr抗高温氧化性能分析

5.1金属高温氧化基础

5.1.1高温氧化定义

5.1.2金属高温氧化动力学分析

5.1.3金属高温氧化热力学分析

5.2 650℃氧化试验结果与分析

5.2.1氧化动力学曲线及SEM表面形貌

5.2.2 XRD衍射及GDS成分分析

5.3 900℃氧化试验结果与分析

5.3.1 TiAl 900℃氧化

5.3.2 TiAl-Cr 900℃氧化

5.4 1000℃氧化试验结果与分析

5.5氧化机理分析

5.5.1晶体结构与缺陷的影响

5.5.2溶质扩散的影响

5.5.3氧化动力学分析

5.6本章小结

第六章放电粒子与固体碰撞

6.1建立模型

6.2 Ar+轰击Cr靶溅射量

6.2.1 理论计算值

6.2.2实际溅射量

6.2.3模拟结果

6.3阴极吸收量

6.3.1试验结果

6.3.2模拟结果

6.4表面空位浓度

6.5表面Cr分布

6.6本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文