TiAlNb O相合金双辉等离子渗Mo、Cr及其性能研究

摘要

Ti-Al系金属间化合物比强度高，其高温强度和刚性都比Ni基和Ti基合金高，而且还具有优良的抗高温氧化性，是航空、航天飞行器理想的新型高温结构材料，在汽车工业上也有广阔的应用前景。Ti<,2>AlNb O相合金是在Ti<,3>Al基础上发展起来的：在Ti<,3>Al中加入β稳定元素Nb，改善Ti<,3>Al基合金的室温塑性和断裂韧性。国内外研究表明，Ti<,2>AlNb合金具有“三高一低”的优异性能，即：高的高温屈服强度、高的蠕变抗力和断裂韧性，以及低的缺口敏感性，作为新一代高温结构材料显示出了巨大潜力。 然而Ti-Al系金属间化合物也存在一些性能上的缺陷，使得其应用受到限制。航空发动机有许多摩擦副零件，对材料表面的耐接触磨损、冲刷磨损或微动磨损提出了很高的要求。大量的研究与试验表明，Ti—Al系金属间化合物的耐磨性不充分而不能满足上述要求。为了尽快满足航空航天以及国防军工等部门对轻比重、高性能的高温结构材料的迫切需求，Ti—Al系金属间化合物的耐磨性能的提高与解决已成为关键的工程问题之一。 本课题源于2004年国防科工委所下达的民口配套计划，是针对我国先进航空发动机领域中的关键零件一热端部件隔热套摩擦副的研制而提出的，该摩擦副由γ—TiAl制成的旋流器与Ti<,2>AlNb O相合金制成的喷嘴组成，零件的耐磨性急需解决。 提高材料的表面耐磨性的方法很多，如离子渗氮与渗碳、离子注入、CVD、PVD以及激光表面熔覆等，但针对于Ti-Al金属间化合物尤其是Ti<,2>AlNb的应用研究却很少。本课题采用我国独创且具有自主知识产权的双层辉光等离子表面冶金技术，在Ti<,2>AlNb O相合金表面渗Mo、Cr以提高其耐磨性，并兼顾保持其优良的耐蚀性和抗高温氧化性。双层辉光等离子表面冶金技术的特点在于：表面合金层深度和成分可控，渗入元素含量随深度呈梯度分布，与基体间无明显界面，结合牢固，无裂纹。 本文的研究内容有如下几个方面： ①Ti<,2>AINb O相合金双层辉光等离子渗Mo、Cr工艺研究，探讨工艺参数对表面合金层形成的影响规律； ②对表面合金层的组织成分、相结构、硬度等进行分析研究； ③表面合金化试样的摩擦磨损性能及机理研究； ④表面合金化试样的电化学腐蚀性能及机理研究； ⑤表面合金化试样的抗氧化性能及机理研究。 经过反复试验验证，总结出Ti<,2>AINb O相合金双层辉光等离子渗Mo的最佳工艺参数为：温度T=950℃～1000℃，时间t=3～5h，气压P=30～50Pa，极间距d=15mm，源极电压Vs=800～1100V，阴极电压Vc=300～600V。Ti<,2>AINb O相合金双层辉光等离子渗Cr的最佳工艺参数为：温度T=980℃～1000℃，时间t=4h～5h，气压P=40～50Pa，极间距d=18mm，源极电压Vs=800～1100V，阴极电压Vc=300～600V。 Ti<,2>AlNb O相合金双层辉光等离子渗Mo及渗Cr试样表面均形成了均匀致密的合金层。在最佳工艺条件下，Ti<,2>AlNb O相合金双层辉光等离子渗Mo层有效厚度达100μm，渗层组织呈板条状，表面约有6μm的Mo沉积层，其含量达95 wt％，沉积层下是Mo的扩散层，由表及里Mo含量逐渐降低，钼元素主要以纯Mo和Al<,5>Mo相的形式存在，表面硬度高达HV 800以上；Ti<,2>AlNbO相合金双层辉光等离子渗Cr层有效厚度达30μm，渗层组织呈板条状，各相间隔交织。表面的Cr含量达38 wt％，随着扩散深度的增加，Cr含量逐渐降低，呈梯度分布。渗层主要由Al<,8>Cr<,5>和AINb<,2>组成，还存在少量的Cr<,2>Ti及Cr<,2>Nb相。表面硬度最高达HV 950。表面合金层中含Mo、Cr的硬质金属间化合物的形成对提高材料的耐磨性起到有益的作用。在Ti<,2>AlNb双辉等离子渗Mo的工艺参数中，温度、时间对其表面硬度均有较大的影响，而气压、极间距的变化对硬度影响不显著。 Ti<,2>AlNb离子渗碳后表面硬度达HV 540，Ti<,2>AINb离子渗氮后表面硬度最高达HV 575，从提高Ti<,2>AlNb O相合金耐磨性的目的考虑，采用双层辉光等离子渗Mo及渗Cr效果更显著。 摩擦磨损性能的试验，采用了常温以及500℃高温下的干摩擦磨损性能试验两种方法。在室温下，Ti<,2>AlNb基材产生了较高的摩擦系数，其磨痕形貌表现为严重的粘着、擦伤、撕裂与塑性流动的特征，磨损机理为粘着磨损并伴有磨粒磨损，磨损量较大，磨损抗力较低，耐磨性能较差；渗Mo试样摩擦系数非常低，随滑动时间的延续几乎无变化，磨损失重远低于基材，磨损量很小，表现出了优良的摩擦磨损性能；渗Cr试样的摩擦系数也非常低，随滑动时间的延续几乎无变化，磨损量很小，表现出了优良的摩擦磨损性能。 500℃的高温摩擦磨损试验表明：Ti<,2>AlNb基材表面形成的氧化物使表面变光滑，减轻了表面的粘着磨损，摩擦系数在0.32～0.75之间反复波动，其高温磨损机制主要是氧化磨损和氧化物脱落成造成的磨粒磨损，以及少量的粘着磨损；渗。Mo试样表面粗化，有明显氧化剥落和蚀坑，摩擦系数较高，在0.4～1.0之间波动，磨痕既深且宽，磨损机理是以磨粒磨损和粘着磨损为主，疲劳磨损为辅；渗Cr试样表面光滑、无蚀坑、无氧化剥落，摩擦系数在0.5～1.1之间波动，磨损机理是以粘着和微犁削为主，疲劳磨损为辅。渗Cr试样的高温磨损的比磨损率较Ti2AlNb基材和渗Mo试样低，说明渗Cr试样具有最好的耐高温磨损性能。腐蚀性能的试验采用了电化学腐蚀性能研究及中性盐雾腐蚀试验两种方法。在5％H<,2>SO<,4>溶液中，Ti<,2>AlNb基材及渗Cr试样均发生钝化现象，表现出良好的耐蚀性能。渗Mo试样钝化区很窄，腐蚀速度最大，耐蚀性相对较差，表面产生轻度的全面腐蚀，这是由于表面没有形成稳定钝化膜的缘故。在5％HCl溶液中，Ti<,2>AlNb基材、渗Mo及Cr试样均发生明显钝化现象，渗Mo试样表面产生轻微的全面腐蚀。渗Cr试样表面形成稳定钝化膜，但很小的局部发生点蚀，三者均表现出了较好的耐蚀性能。在3.5％NaCl溶液中，Ti<,2>AlNb基材、渗Mo 及 Cr试样表面均发生钝化，形成钝化膜，表现出了较好的耐蚀性能。 中性盐雾腐蚀试验表明，经144小时试验的Ti<,2>AlNb基材和渗Cr试样表面形态和颜色没有明显的变化，耐蚀性优良；渗Mo试样表面仅发生色泽变化，无腐蚀产物，也具有较好耐蚀性。 试样的抗高温氧化性能通过650℃、750℃、850℃断续氧化100h试验来评价。650℃下，Ti<,2>AlNb基材、渗Mo及渗Cr试样氧化增重均小于1mg/cm<'2>，达到了完全抗氧化级别，三种试样的氧化产物均有TiO<,2>、Al<,2>O<,3>膜生成，氧化膜均匀致密，无孔洞裂纹，具有较好的抗高温氧化性能。750℃下，Ti<,2>AlNb基材及渗Mo试样增重相对较大，氧化速度服从抛物线定律，而渗Cr试样在此温度下抗氧化性能最好。850℃下，三种试样增重氧化速率均较高，呈直线上升，氧化膜明显疏松，存在孔洞与裂纹，表明超出三种试样的稳定抗氧化温度范围。最后，作者运用数理分析的方法研究了Ti<,2>AlNb双辉等离子渗Mo各工艺参数对硬度的影响，并对试验进行验证。分析说明各工艺参数如工作温度、保温时间对Ti<,2>AlNb双辉等离子表面渗Mo显微硬度均有显著影响，而工作气压、极间距对Ti<,2>AlNb双辉等离子表面渗Mo显微硬度无显著影响，与试验结果相吻合。采用最小二乘法求得Mo元素浓度分布曲线的回归方程，计算出在980℃双层辉光离子轰击条件下Mo在Ti<,2>AlNb中的扩散系数 D≈5.4～6.1×10<'-14>m<'2>.sec<'-1>，并且在30Pa～50Pa范围内，工作气压实际上对扩散系数没有影响。 系统的研究结果表明，Ti<,2>AINb O相合金双辉等离子渗Mo及渗Cr是提高其耐磨性能的切实有效的方法。其中，双辉等离子渗Cr在兼顾保持其优良的耐蚀性和抗高温氧化性方面更具优越性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章文献综述

1.1 Ti-Al系金属间化合物

1.1.1金属间化合物的一般特性

1.1.2 Ti-Al系金属间化合物的分类

1.2 Ti-Al系金属间化合物的国内外研究现状

1.2.1 Ti3Al基合金

1.2.2 Ti2AlNb基合金

1.2.3γ-TiAl基合金

1.2.4 Ti-Al系金属间化合物的应用限制

1.3表面处理技术在Ti-Al系金属间化合物中的应用

1.3.1提高TiAl抗高温氧化性能的途经

1.3.2提高Ti3Al抗高温氧化性能的途经

1.3.3提高Ti-Al金属间化合物耐磨性能的途经

1.4课题提出的目的、意义

1.5表面合金元素的确定

1.6研究目标与内容

1.6.1研究目标

1.6.2主要研究内容

1.6.3关键技术

1.7研究路线

1.7.1技术路线

1.7.2试验方案

参考文献

第二章Ti2AlNb双层辉光等离子渗Mo、Cr工艺研究

引言

2.1试验材料、设备及试验过程

2.1.1试验材料

2.1.2源极和阴极布置

2.1.3试验设备

2.1.4试验过程

2.1.5试样制备

2.2 Ti2AlNb O相合金双层辉光等离子渗Mo工艺试验研究

2.2.1试验温度对渗层厚度的影响

2.2.2时间对渗层厚度的影响

2.2.3气压对渗层厚度的影响

2.2.4源极—阴极间距对渗层厚度的影响

2.2.5源极与阴极电压对渗金属的影响

2.3 Ti2AlNb O相合金双层辉光等离子渗Mo工艺参数优化

2.4 Ti2AlNb O相合金双层辉光等离子渗Cr工艺参数优化

参考文献

第三章表面合金层组织、成分及硬度的研究

引言

3.1 Ti2AlNb O相合金双辉等离子渗Mo合金层

3.1.1渗钼层的显微组织

3.1.2渗钼层的成分分布

3.1.3渗钼层的XRD相结构

3.1.4渗钼层的硬度分布

3.2 Ti2AlNb O相合金双辉等离子渗Cr合金层

3.2.1渗铬层显微组织

3.2.2渗铬层成分分布

3.2.3渗铬层XRD相结构

3.2.4渗铬层硬度分布

3.3与其他表面处理工艺对比

3.3.1 Ti2AlNb O相合金离子渗C

3.3.2 Ti2AlNb O相合金离子氮化

本章小结

参考文献

第四章表面合金层的摩擦磨损性能研究

引言

4.1金属的摩擦磨损

4.1.1摩擦磨损的基本概念

4.1.2磨损的分类及原理

4.1.3耐磨性评价

4.2试验材料及设备

4.2.1磨损试样的准备

4.2.2常温干摩擦条件下的摩擦磨损性能试验

4.2.3高温摩擦磨损性能试验

4.2.4测试与磨损性能的评价

4.3 Ti2AlNb基材常温干摩擦条件下的摩擦磨损性能

4.3.1表面形貌

4.3.2摩擦系数

4.3.3磨痕形貌

4.3.4磨损失重

4.4 Ti2AlNb双辉等离子渗Mo常温干摩擦条件下的摩擦磨损性能

4.4.1表面形貌

4.4.2摩擦系数

4.4.3磨痕形貌

4.4.4磨损失重

4.5 Ti2AlNb双辉等离子渗Cr常温干摩擦条件下的摩擦磨损性能

4.5.1表面形貌

4.5.2摩擦系数

4.5.3磨痕形貌

4.5.4磨损失重

4.6高温摩擦磨损性能研究

4.6.1表面形貌

4.6.2摩擦系数

4.6.3磨痕形貌

4.6.4比磨损率

本章小结

参考文献

第五章表面合金层的耐腐蚀性能研究

引言

5.1金属的腐蚀

5.1.1金属腐蚀的基本概念

5.1.2腐蚀的分类

5.1.3电化学腐蚀理论

5.2电化学腐蚀试验方法

5.2.1试验装置

5.2.2试验条件

5.3试样在5％H2SO4溶液中的电化学腐蚀行为

5.3.1极化曲线

5.3.2腐蚀表面形貌

5.4试样在5％HCl溶液中的电化学腐蚀行为

5.4.1极化曲线

5.4.2腐蚀表面形貌

5.5试样在3.5％NaCl溶液中的电化学腐蚀行为

5.5.1极化曲线

5.5.2腐蚀表面形貌

5.6盐雾腐蚀行为

5.6.1试验设备

5.6.2试验条件

5.6.3试验结果

5.7表面合金化对Ti2AlNb电化学性能影响分析

本章小结

参考文献

第六章表面合金层的高温氧化性能研究

引言

6.1金属与合金的高温氧化

6.1.1高温氧化的基本概念

6.1.2合金的氧化

6.1.3提高合金抗氧化途经

6.2高温氧化试验方法

6.2.1试验准备

6.2.2试验方法

6.3 650℃高温氧化试验结果

6.3.1氧化动力学曲线

6.3.2表面氧化产物分析

6.3.3氧化膜表面形貌

6.3.4氧化膜截面形貌

6.4 750℃高温氧化试验结果

6.4.1氧化动力学曲线

6.4.2表面氧化产物分析

6.4.3氧化膜表面形貌

6.4.4氧化膜截面形貌

6.5 850℃高温氧化试验结果

6.5.1氧化动力学曲线

6.5.2表面氧化产物分析图谱

6.5.3氧化膜表面形貌

6.5.4氧化膜截面形貌

本章小结

参考文献

第七章Ti2AlNb双辉等离子渗Mo工艺数理分析研究

引言

7.1方差分析在Ti2AlNb双辉等离子渗Mo工艺研究中的应用

7.1.1方差分析的理论根据

7.1.2单因素试验方差分析在双辉等离子渗Mo工艺研究中的应用

7.2采用线性回归分析确定Ti2AlNb双辉等离子渗Mo的扩散系数

7.2.1采用回归分析法确定固态金属中扩散系数的基本原理

7.2.2工艺试验

7.2.3用最小二乘法求Mo的浓度分布曲线的回归方程

7.2.4回归的显著性检验

本章小结

参考文献

第八章结论

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文目录及科研成果