三陰極離子滲鍍技術(shù)及其在純鈦及鈦合金上形成金屬碳化物的研究.pdf

1、鈦及鈦合金以其密度低、熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高和耐蝕性好而成為航空、航天、火箭、導(dǎo)彈、艦艇以及能源化工等工業(yè)部門(mén)的重要材料.然而,其耐磨性能不足是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一.該研究是在雙層輝光離子滲金屬技術(shù)的基礎(chǔ)上,以解決飛機(jī)渦論發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片減振凸臺(tái)阻尼面耐磨性問(wèn)題,而發(fā)展了一種新的三陰極離子滲鍍表面技術(shù).該技術(shù)已成功地在鈦及鈦合金表面形成硬度較高且結(jié)合力較強(qiáng)的金屬碳化物表面合金層.該技術(shù)的工作原理是,在雙輝技術(shù)已有的兩個(gè)陰極之間,再增加一個(gè)孔隙

2、化空腔陰極而形成三陰極離子滲鍍系統(tǒng).從空腔陰極孔隙處發(fā)出的等離子氣氛,直接奔向并作用于待滲鍍表面,進(jìn)而形成滲鍍合金層.用固態(tài)石墨制做的空腔陰極靶提供滲鍍所需的無(wú)氫碳?xì)夥?另一個(gè)陰極靶提供金屬元素,使等離子體中同時(shí)含有形成金屬碳化物所需的成分,從而在鈦材表面進(jìn)行無(wú)氫滲鍍形成金屬碳化物.滲鍍金屬元素選用W和Mo,所形成的碳化物具有高的硬度和耐磨性.三陰極離子滲鍍系統(tǒng)工作時(shí),從空腔陰極孔隙處發(fā)出的等離子體中,除了可含有多種滲鍍?cè)氐狞c(diǎn)狀等離子

3、體的基本特點(diǎn)外,還呈現(xiàn)出"Hope(源于下列英語(yǔ)單詞的首字母:hollow-orifice-plume-ejecting)效應(yīng)"和"燒孔效應(yīng)",以及工作電壓或電流的"平臺(tái)"效應(yīng)等特點(diǎn).正是由于這些基本特點(diǎn),才使得其成為一種新的表面合金化技術(shù),形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán).三陰極離子滲鍍技術(shù)成功地在TA2鈦和TC4鈦合金表面實(shí)現(xiàn)無(wú)氫滲碳,從而提供了一種新的鈦材表面三陰極離子無(wú)氫滲碳方法.TA2鈦離子無(wú)氫滲碳溫度在930℃或以上;TC4鈦合金離子無(wú)氫滲

4、碳在950℃或以上.滲碳層具有雙層結(jié)構(gòu),由10μm左右厚的外層TiC層和緊相鄰的碳擴(kuò)散層構(gòu)成.最高硬度達(dá)1700HV;滲碳層韌性及結(jié)合力強(qiáng).三陰極離子滲鍍技術(shù)成功在TA2鈦和TC4鈦合金表面實(shí)行Mo-C、W-C和W-Mo-C等無(wú)氫共滲,使鈦材表面形成高耐磨金屬碳化物合金層.在TA2鈦和TC4鈦合金的無(wú)氫Mo-C共滲結(jié)果表明,形成的共滲合金層中金屬碳化物的類(lèi)型有Mo<,2>C、MoC及TiC等.最低共滲溫度為830℃.對(duì)TA2鈦及TC4鈦

5、合金共滲合金層最高硬度均可達(dá)2400HV.Mo-C共滲所形成的合金層結(jié)合力較強(qiáng),其脆性隨著合金層的硬度的增加而增大.在TA2鈦和TC4鈦合金的無(wú)氫W-C共滲結(jié)果表明,共滲合金層存在有金屬碳化物復(fù)合層,金屬碳化物類(lèi)型有WC、W<,2>C、W<,6>C<,2.54>、WC<,1>-x和TiC.對(duì)TA2鈦,共滲的最低溫度為870℃;隨著共滲溫度的增加,合金層厚度增加,但硬度呈現(xiàn)出波動(dòng);最高硬度可達(dá)2400HV.對(duì)TC4鈦合金,共滲最低溫度為8

6、30℃;隨著共滲溫度和時(shí)間的增加,合金層厚度和最高硬度增加,最高硬度可達(dá)2400HV.W-C共滲所形成的合金層結(jié)合力也較強(qiáng).脆性隨著合金層的硬度增加而增大.在TA2鈦和TC4鈦合金的W-Mo-C共滲研究結(jié)果表明,所形成的共滲合金層具有典型的等離子滲金屬和多層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).共滲合金層的結(jié)構(gòu)為:等離子表面作用層→增強(qiáng)型沉積層(或沒(méi)有)→金屬碳化物復(fù)合層→擴(kuò)散層結(jié)構(gòu).金屬碳化物復(fù)合層層次依秩為:碳化鎢為主→碳化鉬為主→碳化鈦為主合金層(緊鄰擴(kuò)

7、散層).金屬碳化物類(lèi)型有W<,6>C<,2.54>、WC<,1-x>、Mo<,3>C<,2>、MoC、Mo<,2>C和TiC.合金層X(jué)RD測(cè)試X-衍射圖譜分析研究表明,碳化鉬隨時(shí)間的演變?yōu)?首先形成Mo<,2>C,接著形成MoC,再接著有Mo<,3>C<,2>形成;在穩(wěn)態(tài)共滲擴(kuò)散時(shí),僅有Mo<,2>C較穩(wěn)定.TA2鈦共滲溫度在830℃以上;TC4鈦合金在800℃以上.共滲合金層的結(jié)合力較強(qiáng).共滲合金層的最高硬度可達(dá)2600HV.隨著W-

8、Mo-C共滲溫度和時(shí)間的增加,共滲合金層表面顆粒變大.在TA2鈦和TC4鈦合金的共滲研究結(jié)果還表明,穩(wěn)態(tài)共滲沉積層共滲元素的比例是穩(wěn)定分布的.共滲元素出現(xiàn)"上坡擴(kuò)散"現(xiàn)象.在三陰極離子滲鍍?cè)囼?yàn)結(jié)果及其分研究基礎(chǔ)上,探討了三陰極離子滲鍍技術(shù)在鈦材形成含有難熔金屬化合物合金層形成和共滲擴(kuò)散的基本特征,描述了難熔金屬碳化物復(fù)合層、沉積層形成生長(zhǎng)以及元素?cái)U(kuò)散過(guò)程的基本特征,給出了滲鍍合金層多層次結(jié)構(gòu)模型.對(duì)三陰極離子滲鍍技術(shù)應(yīng)用前景進(jìn)行了初步探