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TiAl基合金等离子表面渗铬及其抗氧化和耐磨性能研究

贺志勇  
【摘要】: TiAl基合金的密度仅为目前大量应用的镍基高温合金的一半左右,而高温力学性能却与之相近。如果用TiAl基合金替代镍基合金应用与航空航天工业,十分有助于减轻零部件重量,提高航空发动机推重比。然而,由于TiAl目前尚存在抗高温氧化性能及耐磨性较差的弱点,无法满足航空发动机应用的要求。抗氧化及耐磨性均属材料的表面性能,因此针对TiAl上述问题通过表面处理提高其抗氧化及耐磨性是很有意义的工作,也是长期以来的研究热点。航空发动机的许多零部件要承受振动、冷热循环、氧化、磨损等多重因素的损害,现有的涂层技术由于存在改性层与基体的相容性及结合强度问题,在如此复杂工况下容易发生开裂剥落而失效,应用受到一定限制。 本文采用等离子表面冶金技术在TiAl基合金表面通过渗铬获得TiAl-Cr表面合金层,提高表面的抗氧化性及耐磨性。合金层是与基体材料冶金结合的扩散层,可有效避免涂层的结合强度问题,为TiAl基合金的表面改性提供一种新的技术选择。通过第一性原理计算,从理论上分析了在TiAl表面渗铬的可行性。系统研究了工艺参数对TiAl-Cr合金层形成的影响,对制备工艺进行优化。对TiAl-Cr合金层的高温氧化性能及耐磨性进行了深入研究,并与未处理的原始材料进行对比,在此基础上分析了渗铬对上述性能的影响规律与机理。此外对辉光放电条件下的离子轰击行为进行了初步的探讨。主要研究结果如下: 理论分析表明,TiAl中渗入铬,系统的稳定性增强,证明了TiAl-Cr合金层的形成是可行的。通过优化制备工艺,在TiAl基合金表面形成了致密连续的TiAl-Cr合金层,厚度约60μm,表面铬含量达90%以上,硬度650 HV0.01,与基体相比提高了近一倍。 氧化试验表明,TiAl合金在650℃抗氧化性良好,优于TiAl-Cr合金层。在900℃的氧化过程中,TiAl-Cr的氧化增重仅为TiAl的四分之一,抗氧化性能显著改善。TiAl表面形成富TiO2的Al2O3 +TiO2混合态氧化膜,整体疏松多孔,并有明显的分层,剥落严重。TiAl-Cr氧化膜初期由Cr2O3为主,逐渐变化为Cr2O3+Al2O3 +TiO2的混合态,氧化后期Cr2O3消失,演变为Al2O3 +TiO2的混合态,Al2O3在其中占优。氧化膜始终保持完整致密,没有出现裂纹及剥落现象。铬改善抗氧化性的机理主要归结为提高氧化膜的粘附性与促进铝的选择性氧化。 室温滑动摩擦条件下,TiAl-Cr合金层相对原始材料试样摩擦系数及磨损量均明显下降,耐磨性提高的同时也有一定的减摩效果。500℃高温滑动摩擦时,TiAl-Cr合金层减摩效果不佳,但是耐磨性显著提高。室温微动摩擦试验中,TiAl-Cr摩擦系数略高于TiAl,但耐磨性显著改善。铬的渗入提高了TiAl表面的强度和硬度,提高了基体在摩擦过程中对表面的支撑能力,有效缓解了粘着倾向。 辉光放电的电离度为10-3数量级,证明辉光放电属于弱电离过程,辉光放电的功率绝大部分耗散于离子及中性粒子对阴极的轰击。利用空心阴极效应能够提高气体电离程度,有效强化离子轰击效应。


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