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γ-TiAl无铬化学处理及其高温氧化行为

孙科文  
【摘要】: γ-Ti(46-48)Al作为性能优越的高温结构材料广泛应用于航天航空领域的发动机制造上。但850℃以上抗高温氧化能力不足,严重制约钛铝合金的应用,是一个亟需解决的问题。目前,国内外对于金属间化合物的化学转化膜技术的研究在表面处理领域是一片空白。本文针对上述两种问题提出应用化学抛光技术在钛铝合金表面生成化学转化膜用以提高合金的抗高温氧化性的方法。 采用三酸系无铬化学抛光液,利用正交设计及单因素筛选法,研究了抛光液中各组分及工艺参数对钛铝合金在生成化学转化膜过程中对表面光泽度,试样失重率的影响。探讨了三酸对氧化速率的影响作用,缓蚀剂及光亮剂的选用及配比,并优化了制备含F/P化学转化膜的最佳工艺。利用SEM及EDS等分析测试方法,研究了不同工艺条件下钛铝合金试样表面想成化学转化膜的形貌及成分。在优化配方下制备的化学转化膜,表面形貌为干涸河床状,在晶界处有均匀腐蚀微裂纹。成分主要为Ti、Al及O,并且Al在合金表面富集。 分别研究了原始试样及表面生成化学转化膜的合金试样在850℃热震实验、850℃恒温氧化实验、900℃循环氧化实验中的氧化动力学行为。经过化学处理的合金生成的氧化层在热震实验中表现出良好的抗剥落能力,而原始试样的氧化速率上升很快,氧化层在氧化过程中剥落较为明显。900℃循环氧化实验中,形成化学转化膜的合金试样表现出非常优异的抗氧化性,氧化层生长速度慢,表面均匀,氧化物晶粒较小,不易剥落,通过SEM及EDS对氧化层截面进行观察发现,氧化层致密连续,分层现象明显。在850℃循环氧化实验中发现,经过化学处理的合金试样在氧化过程中质量增重大于原始试样,氧化初期的氧化速率高于原始试样,在扫描显微镜下发现原始试样在850℃氧化20h生成的为排列整齐致密的金红石枝状晶。实验结果说明化学处理对于提高钛铝合金的性能更适宜应用于特殊的环境及温度。 研究了具有不同表面粗糙度的合金试样在不同的化学处理液中形成的化学转化膜的性质及性能。表面粗糙度不同制备的化学转化膜形貌相似,成分差别较大,较为理想的化学转化膜为致密的干涸河床状形貌,表面Al含量富集,这样的结构从实验中发现更易形成完整的性能优越的氧化膜。表面粗糙度越小,获得理想化学转化膜的时间越短,在氧化反应中保护效果越好。 分别从化学抛光,化学转化膜形成原理,及钛铝合金高温氧化机理等角度分析了化学转化膜对于改善钛铝合金高温抗氧化性的机理。


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