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三阴极离子渗镀技术及其在纯钛及钛合金上形成金属碳化物的研究

容幸福  
【摘要】:钛及钛合金以其密度低、熔点高、强度高和耐蚀性好而成为航空、航天、火箭、导弹、舰艇以及能源化工等工业部门的重要材料。然而,其耐磨性能不足是亟待解决的关键问题之一。本研究是在双层辉光离子渗金属技术的基础上,以解决飞机涡论发动机钛合金叶片减振凸台阻尼面耐磨性问题,而发展了一种新的三阴极离子渗镀表面技术。该技术已成功地在钛及钛合金表面形成硬度较高且结合力较强的金属碳化物表面合金层。 该技术的工作原理是,在双辉技术已有的两个阴极之间,再增加一个孔隙化空腔阴极而形成三阴极离子渗镀系统。从空腔阴极孔隙处发出的等离子气氛,直接奔向并作用于待渗镀表面,进而形成渗镀合金层。用固态石墨制做的空腔阴极靶提供渗镀所需的无氢碳气氛,另一个阴极靶提供金属元素,使等离子体中同时含有形成金属碳化物所需的成分,从而在钛材表面进行无氢渗镀形成金属碳化物。渗镀金属元素选用W和Mo,所形成的碳化物具有高的硬度和耐磨性。 三阴极离子渗镀系统工作时,从空腔阴极孔隙处发出的等离子体中,除了可含有多种渗镀元素的点状等离子体的基本特点外,还呈现出“Hope(源于下列英语单词的首字母:hollow-orifice-plume-ejecting)效应”和“烧孔效应”,以及工作电压或电流的“平台”效应等特点。正是由于这些基本特点,才使得其成为一种新的表面合金化技术,形成自主知识产权。 三阴极离子渗镀技术成功地在TA2钛和TC4钛合金表面实现无氢渗碳,从而提供了一种新的钛材表面三阴极离子无氢渗碳方法。TA2钛离子无氢渗碳温度在930℃或以上;TC4钛合金离子无氢渗碳在950℃或以上。渗碳层具有双层结构,由10μm左右厚的外层TiC层和紧相邻的碳扩散层构成。最高硬度达1700HV;渗碳层韧性及结合力强。 三阴极离子渗镀技术成功在TA2钛和TC4钛合金表面实行Mo-C、W-C和W-Mo-C等无氢共渗,使钛材表面形成高耐磨金属碳化物合金层。 在TA2钛和TC4钛合金的无氢Mo-C共渗结果表明,形成的共渗合金层中金属碳化物的类型有Mo_2C、MoC及TiC等。最低共渗温度为830℃。对TA2钛及TC4钛合金共渗合金层最高硬度均可达2400HV。Mo-C共渗所形成的合金层结合力较强,其脆性 随着合金层的硬度的增加而增大。 在n 钛和 TC4钛合金的无氢W{共渗结果表明,共渗合金层存在有金属碳化物 复合层罗 金属碳化物类型有wC、*C气*Q*d气*C.一莫干’1’兀o*‘1’他钛,人渗自批青温 度为870C;随着共渗温度的增加,合金)2厚/R增加,但{hjk呈现出tA#J;MIQJlghlA 可达20OW。对知4钛合金,共渗最低温度为830℃:随着共渗温度和时间的增加, 合金层厚度和最高硬度增加,最高硬度可达2400HV。W-C共渗所形成的合金层结合力 也较强。脆性随着合金层的硬度增加而增大。 在n 钛和 TC4钛合金的 W-M。-C共渗研究结果表明,所形成的共渗合金层具有 典型的等离子渗金属和多层次结构的特点。共渗合金层的结构为:等离子表面作用层 一增强型沉积层(或没有)一金属碳化物复合层一扩散层结构。金属碳化物复合层层 次依秩为:碳化钨为主一碳化铝为主一碳化钛为主合金层(紧邻扩散层人金属碳化 物类型有几*M、WC卜x、MO*、MOC、MO。C禾 TIC。合金层 XRD测试卜衍射图谱分析研 究表明,碳化铝随时间的演变为:首先形成MO人,接着形成MOC,再接着有MO人。形成: 在稳态共渗扩散时,仅有伽人较稳定。TAZ钛共渗温度在830℃以上:TC4钛合金在800 ℃以上。共渗合金层的结合力较强。共渗合金层的最高硬度可达2600l*。随着W仇r C共渗温度和时间的增加,共渗合金层表面颗粒变大。 在n 钛和 TC4钛合金的共渗研究结果还表明,稳态共渗沉积层共渗元素的比 例是稳定分布的。共渗元素出现“上坡扩散”现象。 在三阴极离子渗镀试验结果及其分研究基础上,探讨了三阴极离子渗镀技术在钛 材形成含有难熔金属化合物合金层形成和共渗扩散的基本特征,描述了难熔金属碳化 物复合层、沉积层形成生长以及元素扩散过程的基本特征,给出了渗镀合金层多层次 结构模型。 对三阴极离子渗镀技术应用前景进行了初步探讨和研究。给出了应用型三阴极极 结构的7种基本形式。应用三阴极离子渗镀技术制备了阳极样品,进行了阳极特性实 验。 本技术在双辉技术的基础上,为解决飞机涡轮发动机钛合金叶片减振凸台阻尼面 耐磨性及喷涂WC易于剥落的问题,打下了良好的基础,并在其它方面有应用前景。


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