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TiAl基合金辉光等离子Cr-Nb共渗及渗层磨损、氧化性能的研究

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TiAl系金属间化合物作为金属间化合物中的典型代表，具有密度低、比强度和比刚度高、高温蠕变及高温疲劳性能好等优点，被认为是极具应用前景的新型轻质高温结构材料之一，是未来航空航天、发动机以及燃汽轮机等重大装备的候选材料之一。然而，TiAl基合金自身存在一定的缺陷，如室温延展性低，成型性差；硬度和耐磨性不足以满足一些高温运动副零件的要求；TiAl基合金制备的发动机叶片的榫头与榫槽、阻尼冠与阻尼冠之间容易产生微动摩擦损伤；800℃以上的高温抗氧化性能迅速下降等，这些都制约着TiAl基合金的发展及应用。 本文提出采用双层辉光等离子表面Cr-Nb共渗来提高TiAl基合金的摩擦磨损性能及抗高温氧化性能。基于双层辉光等离子渗金s属技术，在TiAl基合金表面设计和制备不同元素比的Cr-Nb共渗合金层，深入研究了Cr-Nb共渗合金层的成分、组织和相结构，并对合金层的球盘摩擦磨损性能、微动摩擦磨损性能和抗高温氧化行为开展了系统的研究。 在初步探索及分析各工艺参数对合金层成分和结构影响的提前下，得出制备Cr-Nb合金层的最佳工艺参数：温度900-950℃，保温时间3h，极间距18-20mm，气压35-40Pa，阴极电压550-600V，源极电压850-900V。成分及结构分析表明：不同靶材元素比的Cr-Nb共渗合金层表面均致密完整，无孔洞、杂质和裂纹等。Cr-Nb共渗合金层均分为沉积层和扩散层，为完全的冶金扩散结合，各元素由表及里呈梯度分布，Cr和Nb元素含量逐渐下降，高温变形梯度导致的向外扩散的Ti和Al元素含量逐渐上升，这对于表面性能的稳定和改善有很大益处，Cr20Nb80、Cr67Nb33和Cr80Nb20共渗合金层的厚度分别为18、8.5和7μm，且扩散层均为2μm。 研究了Cr-Nb共渗合金层的的硬度、弹性模量和韧性，结果表明：Cr-Nb共渗合金层表面显微硬度约为450-500HV0.1，远高于TiAl基合金，显著提升了TiAl基合金的表面硬度。同时，随Nb元素含量的升高，Cr-Nb共渗合金层硬度逐渐上升；划痕测试结果表明：Cr20Nb80、Cr67Nb33和Cr80Nb20共渗合金层与基体的临界结合力分别为14.97、17.6和21.64N，且随着Cr元素含量的增加，Cr-Nb共渗合金层的韧性和粘附性逐渐提升，Cr的加入使得合金层具有了更好的塑性变形能力。 研究了Cr-Nb合金层在常温（20℃）和高温（500℃）下的摩擦磨损性能，结果表明：在常温试验中，Cr20Nb80共渗合金层的摩擦机理是粘着磨损和磨粒磨损并存，但是体积磨损量大于TiAl基合金；Cr80Nb20共渗合金层在小载荷小转速下以磨粒磨损为主，在其他情况下以粘着磨损为主。Cr80Nb20共渗合金层体积磨损量小，耐磨性得到有效提高；在高温试验中，Cr20Nb80共渗合金层的摩擦机理与室温相同，而Cr80Nb20共渗合金层在小载荷下以磨粒磨损为主，在大载荷下以粘着磨损为主，其体积磨损量仍小于Cr20Nb80共渗合金层。 研究了Cr-Nb共渗合金层在不同往复次数和位移下的微动摩擦磨损性能，结果表明：在位移为50μm时，TiAl基合金的微动区域为混合区，而Cr20Nb80和Cr67Nb33为部分滑移区，Cr80Nb20共渗合金层为滑移区。在位移为100μm和150μm时，TiAl基合金和Cr-Nb共渗合金层的微动区域均为滑移区，摩擦机理为粘粒磨损，接触表面在整个循环周期保持相对滑移状态。在不同循环周期以及不同位移下，Cr-Nb共渗合金层都有效的提升了TiAl基合金的微动摩擦磨损性能，减缓了TiAl基合金的微动摩擦损伤。其中Cr20Nb80共渗合金层的性能最好，Cr67Nb33和Cr80Nb20次之。 研究了Cr-Nb共渗合金层在750-900℃下的氧化行为和氧化机制，结果表明：Cr20Nb80和Cr80Nb20共渗合金层在750-900℃下的氧化动力学曲线均呈现抛物线型规律，其中Cr20Nb80共渗合金层在750℃下部分氧化膜剥落，TiAl基合金开始参与氧化反应，在900℃下氧化膜已基本脱落，不具备保护TiAl基合金进一步氧化的作用；而Cr80Nb20共渗合金层在900℃选氧化膜基本完整，仅存在少量向外扩散的Ti和Al元素，有效的阻止了氧的侵入，提升了TiAl基合金的氧化性能。

著录项

  • 作者

    魏祥飞;

  • 作者单位

    南京航空航天大学;

  • 授予单位 南京航空航天大学;
  • 学科 材料加工工程
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 张平则;
  • 年度 2017
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 水工材料;
  • 关键词

    TiAl基合金; 等离子; 渗层; 磨损;

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