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基于钽钨合金两段氮碳共渗强化机理研究

陈嘉林  
【摘要】:在纯钽中添加钨形成置换固溶体的钽钨合金,具有熔点高、加工成形性能好、耐腐蚀以及力学性能优异等特点,被广泛应用于军事武器、航空航天以及高温等多个领域。钽钨合金的表面处理技术是其在高温领域下应用的关键问题,通过对工件进行表面处理提高其抗氧化能力可以满足部分高温环境的使用要求,若在高温环境下伴随固体颗粒的高速冲刷,则需要工件表面有高硬度。针对上述工件,本文以钽钨合金试样作为对象展开研究,通过等温离子渗氮、等温离子氮碳共渗以及两段离子氮碳共渗三种工艺对其进行处理,通过比较不同工艺下试样的渗层硬度和渗层厚度,结合X射线衍射分析技术分析不同工艺的强化机理;同时探讨了不同的工艺参数对渗层硬度与渗层厚度的影响。由正交试验分析可知,钽钨合金试样经过等温离子氮碳共渗后,氮碳共渗温度对渗层硬度的影响最显著,保温时间次之,而无水乙醇与氨气的流量比对渗层硬度的影响不显著;对正交试验结果进行回归分析,获得渗层硬度与氮碳共渗温度、保温时间以及流量比之间得函数关系式,并在选定的工艺参数范围内获得理论最优的工艺参数为:氮碳共渗温度1273K,保温时间约4h,无水乙醇与氨气流量比为1:7.5。通过控制变量法,分析两段氮碳共渗的第一段共渗温度对渗层硬度、厚度以及物相的影响。发现钽在973K温度以下由于容易与氧反应形成致密氧化膜,导致第一段氮碳共渗在低于此温度下进行不能获得很高的氮与碳浓度,从而限制了氮原子扩散期的扩散速度;在973K或以上进行氮碳共渗时,共渗介质中的氢能抑制氧化膜的形成,表层能获得较高的氮与碳浓度,使氮原子在扩散期能快速渗入,形成硬度较高、厚度较大的渗层。渗氮介质中加入含碳气体后,碳原子在间隙扩散过程中引起钽晶格的畸变,形成较大的原子间隙,半径相对较小的氮原子在扩散过程中的激活能减小,从而有利于扩散,因此形成较大的渗层厚度,但由于抑制了氮化物的形成,使表层的硬度有所下降;与等温离子氮碳共渗相比,两段离子氮碳共渗不仅在碳的作用下可以获得较大的氮碳共渗层厚度,在此基础上采用两段离子氮碳共渗处理后,其扩散层厚度进一步增大,同时渗层硬度也有所提高。


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