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《东北大学》 2009年
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采用激光与微弧火花制备铝、钛合金自生复合强化涂层研究

王维夫  
【摘要】: 本文研究工作是某新型高性能航空发动机大修技术国产化项目的部分内容,以航空发动机用两种典型轻金属材料(钛合金和铝合金)部件的再制造和表面强化为研究对象,采用SEM、XRD、EPMA、TEM、显微硬度计、超声振动空蚀仪等系统研究了激光熔覆和微弧火花沉积制备自生硬质相增强金属基复合涂层的组织和性能,并对制备过程中自生硬质相的形成过程与强化机制等进行了讨论。主要研究内容和所获结果如下: (1)对航空发动机大修中常见的钛合金和铝合金部件空蚀和磨损失效的原因与特点进行了研究。结果表明,燃油系统中加力及泵油部件导致的高压高速航空煤油压强快速变化是造成空蚀的主要原因,空蚀过程中通常还伴有显著的相选择行为及由其引发的“镂空效应”。而装配位置变化及钛合金和铝合金本身绝对强度低、摩擦系数大、易粘结拉伤是导致磨损失效的主要原因; (2)系统研究了激光辐照“钛合金+Cr3C2或B4C”混合粉末制备钛基自生复合涂层的反应过程、组织特点和增强相的生长机制。以Cr3C2为添加成分时,可获得以TiC为主要增强相的TiC/β-Ti自生复合涂层,自生TiC主要有偏晶、共晶和过饱和析出三种,它们分别通过载荷转移、Orowan机制等进行强化。同时以B4C为添加成分研究了多组元(B和C)同时添加对反应过程的影响。结果显示,以B4C为添加成分可获得以TiC、TiB和TiB2为增强相的、具有定向短纤维状TiB强化的复合涂层。激光熔覆过程中B与C之间会发生反应竞争,表现为C优先扩散而B与Ti的反应被抑制; (3)根据液相分离原理通过激光熔覆制备了原位自生硬质颗粒增强铜基复合涂层。复合涂层中自生硬质颗粒由Laves相和Co/Mo基固溶体等高温性能良好的硬质相组成,涂层基体为铜基固溶体。对其组织特点及分离相的形成过程和长大机制的研究表明,非均质形核诱发液相分离是激光熔覆条件下复杂成分铜基合金发生液相分离的主要微观机制,熔池中的对流作用以及由其引发的多种碰撞凝并行为则促进了分离相的长大(粗化); (4)首次报道了微弧火花沉积Al-Si合金制备纳米尺度Si强化的Si/Al复合涂层的组织特点与形成机制。复合涂层中细小的自生Si相呈现出一种新型的网格状结构,并将柔软的α-Al相包络在内。高倍观察显示网格状Si相由大量自生的球状共晶Si小颗粒相互粘结而成。借助其新型的复合结构,沉积涂层的显微硬度显著提高; (5)采用超声振动空蚀仪对TiC/β-Ti自生复合涂层和Si/Al复合涂层的抗空蚀性能进行了研究,并与其各自非复合结构的常规涂层进行了对比。结果显示,添加10%Cr3C2的TiC/β-Ti复合涂层拥有最佳的抗空蚀性能,其抗空蚀性能的提高主要应归因于β相基体所具有的良好的韧性和尺寸适中的TiC相所起到的结构性复合强化作用。Si/Al复合涂层抗空蚀性能的提高则主要应归因于其先进的网格状Si/Al复合结构的形成; (6)尝试将激光与微弧火花自生复合涂层应用于航空发动机大修的具体生产实践中,并取得了良好的使用效果。从实际应用情况来看,采用激光熔覆、微弧火花沉积制备自生复合涂层进行航空发动机铝、钛合金部件的修复延寿与再制造是合适的方法。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:V263

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