基于雙輝技術(shù)的鈦合金表面抗高溫氧化合金層的制備及性能研究.pdf

1、20世紀(jì)50年代以來(lái)，鈦合金因其高比強(qiáng)度而成為重要的航空結(jié)構(gòu)材料。這對(duì)于減輕飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提升其性能具有重要的意義。但鈦合金存在抗高溫氧化性能差的缺點(diǎn)，在500℃以上高溫環(huán)境服役時(shí)，表層氧化膜極易破裂而導(dǎo)致失穩(wěn)氧化，從而使整個(gè)構(gòu)件失效。某些條件下，氧化甚至?xí)l(fā)“鈦火”故障，引發(fā)機(jī)毀人亡的重大事故。這嚴(yán)重限制了鈦合金在航空航天領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)鈦合金的使用溫度提出了更高的要求。500℃以上抗

2、高溫氧化性能的不足已成為制約鈦合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　目前，表面高溫氧化防護(hù)技術(shù)的研究已成為鈦合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙輝技術(shù)”）具有一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，為提升鈦合金的抗高溫氧化性能提供了一種新的技術(shù)手段。本論文基于雙輝技術(shù)，在鈦合金表面設(shè)計(jì)和制備了一種抗高溫氧化合金層，深入研究了合金層的成分、組織和結(jié)構(gòu)，探討了制備工藝對(duì)基體鈦合金組織和性能的影響，并對(duì)合金層的高溫氧化行為和摩擦磨損行為

3、開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。
　　論文首先根據(jù)鈦的氧化機(jī)理和合金元素對(duì)鈦合金氧化性能的影響機(jī)制，結(jié)合雙輝技術(shù)的特點(diǎn)，提出了抗高溫氧化合金層成分和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:合金元素的熔點(diǎn)應(yīng)高于雙輝技術(shù)的工藝溫度，與Ti能形成溶解度較高的固溶體和穩(wěn)定的化合物，高溫下其氧化物能形成連續(xù)致密保護(hù)性的氧化膜。合金層應(yīng)包含完整的沉積層、互擴(kuò)散層和轟擊濺射影響區(qū)結(jié)構(gòu)。沉積層應(yīng)為連續(xù)致密的結(jié)構(gòu)，高溫下能有效阻隔氧與鈦的反應(yīng)?；U(kuò)散層應(yīng)保持適當(dāng)厚度，高溫下能實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)

4、合和阻氧擴(kuò)散作用的平衡。在保證合金層成分和結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)減小轟擊濺射影響區(qū)的厚度和組織相變?；谏鲜鰷?zhǔn)則，論文設(shè)計(jì)了Ti-Cr和Ti-CrNi兩種合金層的成分和結(jié)構(gòu)。利用雙輝技術(shù)，在TC4合金表面成功制備了Ti-Cr和Ti-CrNi合金層，并獲得了適宜制備工藝。研究發(fā)現(xiàn):抗高溫氧化合金層厚25～35μm，無(wú)孔洞，與基體結(jié)合良好。隨Ni含量的增加，合金層生長(zhǎng)模式由“島狀模式”轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嬷饘由L(zhǎng)。隨Ni含量增加，合金層表面硬度從998HV

5、0.1逐漸下降至650HV0.1，其中沉積層的硬度略微下降，但互擴(kuò)散層和轟擊濺射影響區(qū)的硬度變化不大。Ni的加入降低了沉積層的彈性模量。隨Ni的含量增加，沉積層的彈性模量從634GPa下降至95GPa，其彈性回復(fù)能力逐漸變?nèi)??；U(kuò)散層比沉積層具有更好的彈性回復(fù)能力，隨Ni含量的增加，互擴(kuò)散層的彈性模量從1174GPa上升至1290GPa。Ni的加入有效提升了合金層表面沉積層的粘附性。隨Ni含量的增加，沉積層的粘附力不斷增強(qiáng)。
　　

6、論文研究了合金層制備工藝對(duì)基體TC4合金組織和力學(xué)性能的影響。經(jīng)合金層制備工藝后，TC4合金中的α相增多，組織中出現(xiàn)粗大的魏氏組織和籃網(wǎng)狀組織。合金層制備工藝對(duì)TC4合金的拉伸性能影響不大。合金層制備工藝對(duì)TC4合金疲勞性能的影響與應(yīng)力水平相關(guān)。在高應(yīng)力水平下(≧200MPa)，TC4合金的循環(huán)壽命減小了20～40％，少量魏氏組織和籃網(wǎng)狀組織是導(dǎo)致TC4合金疲勞性能下降的主要原因。
　　論文系統(tǒng)研究了合金層在650～950℃時(shí)的高

7、溫氧化行為，并對(duì)氧化機(jī)制進(jìn)行了深入分析。Ti-Cr合金層氧化時(shí)，Cr和基體元素Ti、Al外擴(kuò)散形成氧化膜;氧的擴(kuò)散侵入被限制于互擴(kuò)散層外。但Ti(Cr, Al)2析出相的脆性減弱了氧化膜與基體的結(jié)合力。不斷積累的交變應(yīng)力是導(dǎo)致氧化膜剝落的主要原因。Ti-CrNi合金層氧化時(shí)，Ni主要以?xún)煞N形式分布于氧化膜中。一是以NiO氧化物夾雜于Cr2O3膜中，另外是形成獨(dú)立的連續(xù)NiO膜。NiO的分布形式除與合金層中Ni含量相關(guān)外，還受到氧化溫度的

8、影響。一定量Ni的加入提升了合金層的恒溫氧化性能，但過(guò)高的Ni含量降低了合金層的恒溫氧化性能。Ni加入的基本原則是不應(yīng)干擾高溫氧化時(shí)合金層表面連續(xù)致密Cr2O3膜的形成。一定量的Ni會(huì)在Cr2O3膜下形成連續(xù)的NiO膜，其不僅會(huì)增強(qiáng)氧化膜的阻氧能力，提升合金層的抗高溫氧化性能;而且NiO膜的高韌性實(shí)現(xiàn)了氧化膜與Ti-CrNi析出相層間的過(guò)渡，提升了氧化膜的粘附性。當(dāng)合金層中的Ni含量為40at.％時(shí)，Ti-CrNi合金層具有最好的抗高溫

9、氧化性能。
　　論文研究了合金層在室溫和高溫(500℃)下的摩擦機(jī)制和磨損性能。室溫摩擦?xí)r，合金層中沉積層主要發(fā)生粘著磨損，互擴(kuò)散層主要發(fā)生磨料磨損。合金層顯著提升了TC4合金的室溫耐磨性能。高溫摩擦?xí)r，產(chǎn)生的高溫高壓加劇了合金層的氧化和變形，合金層的摩擦磨損加劇。高溫下，合金層隨載荷和滑動(dòng)速度的增加，磨損體積和比磨損率迅速上升，耐磨性能迅速下降。在500℃，載荷730g，滑動(dòng)速度10m/min，摩擦副Si3N4的實(shí)驗(yàn)條件下，合金