基于雙輝技術的鈦合金表面抗高溫氧化合金層的制備及性能研究.pdf

1、20世紀50年代以來，鈦合金因其高比強度而成為重要的航空結構材料。這對于減輕飛機、航空發(fā)動機重量，提升其性能具有重要的意義。但鈦合金存在抗高溫氧化性能差的缺點，在500℃以上高溫環(huán)境服役時，表層氧化膜極易破裂而導致失穩(wěn)氧化，從而使整個構件失效。某些條件下，氧化甚至會引發(fā)“鈦火”故障，引發(fā)機毀人亡的重大事故。這嚴重限制了鈦合金在航空航天領域的進一步應用。進入21世紀，高性能航空發(fā)動機的發(fā)展對鈦合金的使用溫度提出了更高的要求。500℃以上抗

2、高溫氧化性能的不足已成為制約鈦合金在航空航天領域應用的關鍵問題。
　　目前，表面高溫氧化防護技術的研究已成為鈦合金領域的研究熱點。雙層輝光等離子表面冶金技術（以下簡稱“雙輝技術”）具有一些獨特優(yōu)點，為提升鈦合金的抗高溫氧化性能提供了一種新的技術手段。本論文基于雙輝技術，在鈦合金表面設計和制備了一種抗高溫氧化合金層，深入研究了合金層的成分、組織和結構，探討了制備工藝對基體鈦合金組織和性能的影響，并對合金層的高溫氧化行為和摩擦磨損行為

3、開展了系統(tǒng)的研究。
　　論文首先根據鈦的氧化機理和合金元素對鈦合金氧化性能的影響機制，結合雙輝技術的特點，提出了抗高溫氧化合金層成分和結構的設計準則:合金元素的熔點應高于雙輝技術的工藝溫度，與Ti能形成溶解度較高的固溶體和穩(wěn)定的化合物，高溫下其氧化物能形成連續(xù)致密保護性的氧化膜。合金層應包含完整的沉積層、互擴散層和轟擊濺射影響區(qū)結構。沉積層應為連續(xù)致密的結構，高溫下能有效阻隔氧與鈦的反應?；U散層應保持適當厚度，高溫下能實現冶金結

4、合和阻氧擴散作用的平衡。在保證合金層成分和結構的前提下，應減小轟擊濺射影響區(qū)的厚度和組織相變。基于上述準則，論文設計了Ti-Cr和Ti-CrNi兩種合金層的成分和結構。利用雙輝技術，在TC4合金表面成功制備了Ti-Cr和Ti-CrNi合金層，并獲得了適宜制備工藝。研究發(fā)現:抗高溫氧化合金層厚25～35μm，無孔洞，與基體結合良好。隨Ni含量的增加，合金層生長模式由“島狀模式”轉變?yōu)槠矫嬷饘由L。隨Ni含量增加，合金層表面硬度從998HV

5、0.1逐漸下降至650HV0.1，其中沉積層的硬度略微下降，但互擴散層和轟擊濺射影響區(qū)的硬度變化不大。Ni的加入降低了沉積層的彈性模量。隨Ni的含量增加，沉積層的彈性模量從634GPa下降至95GPa，其彈性回復能力逐漸變弱。互擴散層比沉積層具有更好的彈性回復能力，隨Ni含量的增加，互擴散層的彈性模量從1174GPa上升至1290GPa。Ni的加入有效提升了合金層表面沉積層的粘附性。隨Ni含量的增加，沉積層的粘附力不斷增強。
　　

6、論文研究了合金層制備工藝對基體TC4合金組織和力學性能的影響。經合金層制備工藝后，TC4合金中的α相增多，組織中出現粗大的魏氏組織和籃網狀組織。合金層制備工藝對TC4合金的拉伸性能影響不大。合金層制備工藝對TC4合金疲勞性能的影響與應力水平相關。在高應力水平下(≧200MPa)，TC4合金的循環(huán)壽命減小了20～40％，少量魏氏組織和籃網狀組織是導致TC4合金疲勞性能下降的主要原因。
　　論文系統(tǒng)研究了合金層在650～950℃時的高

7、溫氧化行為，并對氧化機制進行了深入分析。Ti-Cr合金層氧化時，Cr和基體元素Ti、Al外擴散形成氧化膜;氧的擴散侵入被限制于互擴散層外。但Ti(Cr, Al)2析出相的脆性減弱了氧化膜與基體的結合力。不斷積累的交變應力是導致氧化膜剝落的主要原因。Ti-CrNi合金層氧化時，Ni主要以兩種形式分布于氧化膜中。一是以NiO氧化物夾雜于Cr2O3膜中，另外是形成獨立的連續(xù)NiO膜。NiO的分布形式除與合金層中Ni含量相關外，還受到氧化溫度的

8、影響。一定量Ni的加入提升了合金層的恒溫氧化性能，但過高的Ni含量降低了合金層的恒溫氧化性能。Ni加入的基本原則是不應干擾高溫氧化時合金層表面連續(xù)致密Cr2O3膜的形成。一定量的Ni會在Cr2O3膜下形成連續(xù)的NiO膜，其不僅會增強氧化膜的阻氧能力，提升合金層的抗高溫氧化性能;而且NiO膜的高韌性實現了氧化膜與Ti-CrNi析出相層間的過渡，提升了氧化膜的粘附性。當合金層中的Ni含量為40at.％時，Ti-CrNi合金層具有最好的抗高溫

9、氧化性能。
　　論文研究了合金層在室溫和高溫(500℃)下的摩擦機制和磨損性能。室溫摩擦時，合金層中沉積層主要發(fā)生粘著磨損，互擴散層主要發(fā)生磨料磨損。合金層顯著提升了TC4合金的室溫耐磨性能。高溫摩擦時，產生的高溫高壓加劇了合金層的氧化和變形，合金層的摩擦磨損加劇。高溫下，合金層隨載荷和滑動速度的增加，磨損體積和比磨損率迅速上升，耐磨性能迅速下降。在500℃，載荷730g，滑動速度10m/min，摩擦副Si3N4的實驗條件下，合金