TA2和TC4合金空蚀行为及抗空蚀涂层的研究

摘要

钛及钛合金在工程应用中，如用作高速螺旋桨、高速潜艇、水翼、水泵、阀门、水轮机过流部件、发动机缸体等设备、器件时，均有空蚀现象发生。目前，涉及钛及钛合金空蚀过程和失效机理的研究较少，且有关提高钛合金抗空蚀性能的工艺方法研究较少。本课题选取了广泛应用的工业纯钛（TA2）和Ti-6Al-4V（TC4）合金，利用超声振动空蚀设备进行了空蚀性能测试，探讨了介质温度、含沙量及材料表面粗糙度和组织结构对空蚀行为的影响，并利用电化学测试分析了空蚀过程中的腐蚀行为，探讨了空蚀-腐蚀交互作用机制。为了提高TA2和TC4合金抗空蚀性能，利用了三种表面处理工艺在TA2和TC4合金表面制备了硬质涂层，对涂层试样进行了空蚀实验，并结合表面形貌、显微组织和硬度研究了表面处理工艺对涂层空蚀行为的影响，确定了其空蚀破坏过程的行为机制。
　　TA2和TC4合金在去离子水中空蚀实验表明，TC4合金因具有细小的晶粒、高的硬度，抗空蚀性能优于纯钛TA2。在3.5wt.％ NaCl溶液中，因NaCl溶液腐蚀因素的影响，TA2和TC4合金空蚀失重量比去离子水中有所增加，抗空蚀性能下降。腐蚀因素引起的空蚀-腐蚀交互作用使TA2和TC4合金失重量分别增加1.61和1.42mg，约占总失重量的12.8%和13.5%。
　　热处理后TC4合金空蚀实验表明，TC4合金显微组织形态对其空蚀行为有较大影响。1020℃热处理获得的魏氏组织片状α增加裂纹扩展路径、降低裂纹尖端应力场，使其具有较好抗空蚀性能。950℃下的双态组织初生α加工硬化能力强，且针状β转增加裂纹扩展难度，使其也有较好抗空蚀性能。850℃下的等轴组织β转含量少，强化效果小，使其抗空蚀性能相对魏氏和双态组织较低。
　　采用渗氮处理在TA2和TC4合金表面制得了均匀、致密的硬质表面氮化层和渗氮层。空蚀实验表明，渗氮处理显著地改善了TA2和TC4合金的抗空蚀性能（最大提高约为7倍），且工艺参数对空蚀行为影响较大。较高温度和较长时间处理的TA2试样抗空蚀性能较差，氮化层中氧化物、裂纹、微孔的增多是导致其抗空蚀性能下降的主要原因。TC4合金在较低温度和较短时间处理条件下抗空蚀性能较差，主要因硬度较低的β-Ti、α/β晶界和沉淀物加速了空蚀破坏。TA2的渗氮层因氮原子固溶产生残余压应力场，阻滞裂纹扩展而改善抗空蚀性能。
　　包埋渗碳处理和碳氮共渗处理在TA2和TC4合金表面分别制得了TiC和Ti(C,N)涂层。空蚀实验表明，硬质的TiC和Ti(C,N)涂层具有均匀、致密的细晶结构，增加了裂纹扩展的路径和减小应力集中从而显著地改善了TA2和TC4合金抗空蚀性能（约为未处理试样的3~10倍）。处理工艺对TA2和TC4合金空蚀行为有较大影响：高温度和长时间处理会降低材料抗空蚀性能。主要因为，随着处理温度升高和时间延长，TiC和Ti(C,N)晶粒长大或表面氧化物含量增加，削弱了涂层的综合性能。温度和时间过低也使涂层太薄，而降低其抗空蚀的持续力。因此，渗碳处理改善TA2和TC4合金抗空蚀性能的最佳工艺为1000℃，90min；碳氮共渗处理在最佳工艺则为1100℃，60min。涂层空蚀破坏行为机制主要为：空泡溃灭产生的应力冲击波和微射流首先导致杂质相和局部涂层颗粒脱落形成微孔，随后引发微裂纹在微孔周围萌生，并沿颗粒晶界及与杂质相界面扩展。当裂纹扩展、贯穿整个晶粒后，引起整个晶粒脆性断裂而脱落，形成新坑洞。空蚀继续，裂纹则连接微孔、坑洞形成较大空蚀坑，导致材料失重量迅速增加。

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第一章 绪 论

1. 1 引 言

1. 2 金属材料的空蚀

1. 3 金属材料空蚀研究现状

1. 4 钛合金空蚀问题

1. 5 本文的研究的背景和主要内容

第二章 实验内容与方法

2. 1 实验材料

2. 2 试样制备

2. 3 表征分析方法

2. 4 性能测试

第三章 TA2和TC4合金空蚀-腐蚀行为与机制

3. 1 引 言

3. 2 实验方法

3. 3 去离子水中的空蚀行为

3. 4 NaC l溶液中的空蚀行为

3. 5 空蚀影响因素

3. 6 空蚀-腐蚀交互作用机制

3. 7 本章小结

第四章 TC4合金热处理后的空蚀行为

4. 1 引 言

4. 2 实验方法

4. 3 显微组织和硬度分析

4.4 热处理对TC4合金空蚀行为的影响

4. 5 空蚀行为机制

4. 6 本章小结

第五章 TA2和TC4合金表面渗氮处理后的空蚀行为

5. 1 引 言

5. 2 实验方法

5. 3 渗氮处理后试样表面物相和显微组织分析

5. 4 渗氮对TA2和T C4合金显微硬度影响

5. 5 渗氮对TA2和T C4合金空蚀性能的影响

5. 6 空蚀行为机制

5. 7本章小结

第六章 TA2和TC4合金包埋渗碳处理后的空蚀行为

6. 1 引 言

6. 2 实验方法

6. 3 渗碳处理后试样表面物相、显微组织及硬度分析

6. 4 渗碳处理对TA2和T C4合金空蚀性能的影响

6. 5 空蚀行为机制

6. 6本章小结

第七章 TA2和TC4合金碳氮共渗处理后的空蚀行为

7. 1 引 言

7. 2 实验方法

7. 3 碳氮共渗处理后试样表面物相、显微组织及硬度分析

7. 4 碳氮共渗处理后TA2和TC 4合金的空蚀行为

7. 5 空蚀行为机制

7. 6本章小结

第八章 结 论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢