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双层辉光等离子表面合金化阻燃钛合金研究
中文名称: 双层辉光等离子表面合金化阻燃钛合金研究
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论文编号: 3045086收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Double Glow Plasma Surface Alloying Burn-resistant Titanium Alloy
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 材料加工工程
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 双层辉光 合金 合金化 阻燃 钛合金 阻燃钛合金 双层辉光离子渗金属技术 表面合金化
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论文简介:常规钛合金在一定的气压、温度和工作条件下会发生氧化和燃烧,而且蔓延速度很快,俗称之为“钛火”。钛合金的可燃性限制了其在某些服役条件下的应用。为了确保安全,70年代末,美英又将现役发动机中高压压气机静子叶片、机匣等钛合金零部件重新换成合金钢和镍基高温合金。俄罗斯也严格限制钛合金在民航发动机高温静止部件的应用。因此,美国和俄罗斯自70年代开始研制阻燃钛合金,我国在这方面的研究起步较晚,与国外差距较大。 90年代,国际上已经研究出Ti-V-Cr系、Ti-Cu-Al系和Ti-Nb系等多种合金体系的阻燃钛合金,具代表性的是美国的AlloyC(Ti-35V-15Cr)和Ti-45Nb;俄罗斯的BTT-1(Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr)和BTT-3(Ti-18Cu-2Al-2Mo);我国的Ti-40(Ti-25V-15Cr-Si)和Ti14(Ti-13Cu-1Al)。在Ti-V-Cr系阻燃钛合金中,由于合金元素V和Cr的加入量较高,可使合金熔点下降很多,并使热导率增加,这意味着燃烧前表面会软化或熔化,吸收大量热量;同时软化的表面防止刚性摩擦的发生,也减少了摩擦热。此外加入的合金元素Cr的氧化膜致密且氧化生成热也较低。在Ti-Cu-Al系阻燃钛合金中,合金元素Cu和Al的加入使合金熔点降低,摩擦生热时,表面会析出液态相,降低摩擦系数,同时吸收大量的热。由于Nb在钛合金主要合金元素中,具有最小的氧化生成热,所以也发展了Ti-Nb系阻燃钛合金,而且Ti-Nb系合金有很好的抗蚀性能。 阻燃钛合金的研究与应用已经取得一些成就,但是总体上看还远未达到成熟的程度,无论在阻燃机理研究及生产开发应用上都有待进一步发展。比较突出的问题是: ⑴、熔炼困难,加工性能差; ⑵、大量的合金元素加入使钛合金整体力学性能降低,甚至失去了比强度高这一钛合金的基本特点;。 ⑶、合金元素的含量高,且这些合金元素大多比较贵重,使得阻燃钛合金的成本很高。 针对以上问题,本文提出发展表面阻燃钛合金的新思路,即通过表面合金化在常规钛材料表面形成具有阻燃性能的合金层,同时保留原钛材性能。具有阻燃作用的许多合金元素如Cu、Cr、Mo等在钛中都有较大的溶解度,因此表面合金化改性的思路是可行的。与整体阻燃钛合金相比,表面阻燃钛合金具有以下特点: ⑴、表面合金化在普通钛材成型和加工后的零件上进行,克服整体阻燃钛合金制备工艺复杂,加工性能较差的缺点; ⑵、阻燃功能由表面阻燃合金层承担,整体力学性能则靠基体钛材承担,保持了钛合金比强度高等优点; ⑶、表面阻燃钛合金厚度在50-300μm范围内,合金元素用量较小,大大降低阻燃钛合金的成本。 本文首先从氧的吸附与扩散、热力学及摩擦学三个方面,对阻燃机理进行了分析,在此基础上,结合现有文献,提出合理的表面阻燃合金体系为:Ti-Cu(其中,Cu含量要达到10-15%);Ti-Cr(其中,Cr含量要达到10-20%);Ti-Mo。 表面合金化采用双层辉光离子渗金属技术。该技术的基本原理是在离子氮化装置中增加一个欲渗合金元素构成的源极。该源极和阳极以及工件和阳极之间各设置一个直流可调压电源。当真空室抽真空并充以氩气达到一定工作气压后,接通两个直流电源,使工件和源极分别产生辉光放电,此即所谓双层辉光放电现象。辉光放电所产生的氩离子轰击,使源极溅射出合金元素并飞向工件,而工件经离子轰击被加热到高温。合金元素借助于轰击、吸附和扩散而渗入工件表面,从而形成含有欲渗合金元素的合金层。该合金层中的合金元素含量和合金层厚度可以通过调节工作气压、源极和工件电压及电流以及温度和渗入时间等工艺参数加以控制。 本文以TA2、TC4、TC11为基体材料,Cu、Cr、Mo为合金化元素,进行双层辉光等离子表面合金化研究。以TC4渗Cu,TC11渗Cr为代表,对钛合金表面双层辉光离子渗金属工艺进行研究。系统研究了源极电压、工件电压、源极与阴极间距温度、工作气压、保温时间等参数对渗层成分、厚度等的影响。结果表明,TC4渗Cu的合理工艺条件为:工作气压25Pa左右,源极电压800V,工件电压350V,源极与工件距离16mm,温度870℃,保温时间3.5小时以上;TC11渗Cr的合理工艺条件为:工作气压25Pa左右,源极电压700V,工件电压350V,源极与工件距离18mm,温度900℃,保温时间2小时以上。 利用CCD技术,对双层辉光放电区域的等离子温度分布进行了测量,结果表明,双层辉光放电区域的温度场基本均匀,为合金化层的成分及厚度均匀性提供了保证;源极及阴极附近温度场存在边角效应。 对双层辉光放电条件下,TA2表面形貌特征进行了研究。结果表明,在渗Cr初期,TA2表面变粗糙,随保温时间的增加,表面状态逐步趋于平滑,其轮廓线分形维数保持在1.1-1.2之间。 TC4双层辉光离子渗Cu3.5小时后,渗层厚度可达到200μm,最外表面Cu元素的重量百分比达14%,在距表面160μm处,Cu含量仍保持12%以上。TC11表面渗Cu合金层中,Cu元素在15μm范围内可达到20%。合金层的显微组织为α+β+细小的、均匀分布的Ti2Cu金属间化合物。Ti-Cu合金层的成分与组织与俄罗斯的BTT-1阻燃钛合金相类似。 TC4、TC11表面双层辉光离子渗Cr处理后,在50μm范围内,Cr含量均超过20%。合金相显微组织为基体组织加少量弥散分布的点状Cr2Ti金属间化合物。大部分Cr元素均固溶于β相中。Ti-Cr合金层的成分与组织达到预先设计的要求。 Ti-Mo合金层厚度可达到40μm以上,Mo含量在最表面可达100%,沿渗层方向梯度减少。合金层组织与基体组织相同,Mo全部固溶于基体中。 Ti-CrMo合金层厚度可达到100μm,最外表Cr含量可达到13%,Mo含量达3%。合金层显微组织为基体组织加少许细小Cr2Ti析出物。 球盘磨损试验结果表明,钛合金渗Cr、Mo、Cu后,比磨损率均有大幅度下降。其中渗Mo后,比磨损率仅为基材的1/300,渗Cu为小于1/50,渗Cr则为1/5。渗Mo、渗Cu后,钛合金表面的摩擦系数降低,其中,渗Cu后约降低一半。 断续高温氧化试验表面,合金元素Cr、Mo的渗入,大大提高了钛合金的抗高温氧化性能,而Cu元素则对钛合金抗高温氧化没有贡献。 初步阻燃试验表明,本文所形成的Ti-Cu、Ti-Cr、Ti-Mo及Ti-Cr-Mo合金层,均具有阻燃性能。 划痕试验证明,合金层与基体结合良好。 双辉等离子表面合金化是一个在离子轰击条件下,吸附到工件表面的溶质原子通过热扩散进入基体的过程,其特点之一是渗入元素在基体中的扩散速度较快。本文研究表明,在有沉积层的情况下,双层辉光离子渗金属扩散过程可以用半无限长扩散模型准确描述;当没有沉积层,表面成分较高,成分穿越几个相区的情形下,Wagner型多层扩散模型与试验结果符合很好;当没有沉积层,且表面合金成分较低,成分只位于1个相区的情形下,可以用Wagner型二层扩散模型来描述扩散过程。 理论分析表明,离子轰击条件下,表面形成高的空位浓度及空位浓度梯度。一方面,降低了金属原子扩散激活能,从而提高了金属原子的扩散系数,另一方面,空位浓度梯度的存在使金属原子受到一个向内的作用力,这样使得双层辉光离子渗金属比普通渗金属方法具有高得多的扩散系数。空位机制是离子轰击条件下,代位扩散的主要形式。 采用分子动力学方法,研究了离子轰击条件下表明形成的超结构,对溶质原子扩散行为的影响。结果表明,离子轰击造成的表面超结构,使溶质原子在表面的扩散速度远远大于其在合金层中的平均扩散速度。
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