Ti2AlNb基合金等离子表面合金化及摩擦学行为的研究

论文摘要

Ti-Al系金属间化合物具有高的比强度、比模量、良好的抗氧化性及优良的高温强度等,近来已成为国内外航空、航天、军工等工业部门的热点材料。然而,Ti-Al金属间化合物存在着耐磨性不足的问题,限制了其应用。因此,提高Ti-Al系金属间化合物耐磨性能已成为关键的工程问题之一。本课题针对航空发动机高温运动副零部件的耐磨性问题,采用我国独创且具有自主知识产权的双层辉光等离子表面合金化技术,在Ti2AlNbO相合金基体表面制备出高硬耐磨的合金层。本研究首先利用“固体与分子经验电子理论”通过计算分析元素加入到基体时的价电子结构,得出选择铬和钨作为欲渗元素,可能有利于提高Ti2AlNb摩擦性能;而后采用双层辉光等离子表面合金化技术,对Ti2AlNb合金进行渗Cr、渗W处理以及后续等离子渗碳处理的工艺优化试验。利用光学电镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱仪（XPS）进行组织成分检测,对合金渗层分别进行了显微硬度检测和纳米压入分析及摩擦学性能研究。工艺试验结果表明:等离子表面渗铬层的有效厚度约25μm,表面Cr元素含量达到75%,渗层中铬元素含量呈梯度分布,合金渗层中以Cr2Nb,Al8Cr5/Al9Cr4为主;渗W层的有效厚度为25μm左右,表面W含量达55%,W含量沿深度方向呈梯度分布,渗层中以TixW1-x化合物为主;Cr-C共渗层主要含有Cr23C6和Cr2Nb,且有部分单质C和Cr;W-C共渗层的组分主要以W2C或W6C2.54为主。渗Cr、渗W层表面硬度均达1100 HV0.1以上,共渗层的表面硬度均高达1650 HV0.1,远高于基体的400 HV0.1左右。纳米压入测量结果表明,各种渗层的弹性模量远高于基体。渗钨层的弹性模量最高在700 GPa左右,其他三种渗层的弹性模量分布在200 GPa 500 GPa之间,而基体约100 GPa。摩擦学试验表明:双辉等离子渗Cr、渗W以及后续渗碳处理均提高了Ti2AlNbO相合金的耐磨性能。Ti2AlNb合金经等离子渗Cr处理,室温摩擦系数由1.2降低为0.6,高温摩擦系数由1.0降低为0.5,经过后续渗碳处理,摩擦系数均降低到0.2以下;经过等离子渗Cr处理,室温磨损率降低了一个数量级,高温磨损率降低了60%,再经过后续渗碳处理,磨损率降低为基体的1/101/25。经渗W处理,室温摩擦系数由基体的1.2降低为0.5,高温摩擦系数由1.0降低为0.15,但渗W层的摩擦系数在长时间的摩擦中会逐渐上升,而经后续渗碳处理,高温摩擦系数始终维持在0.15左右。Ti2AlNb合金渗W后室温磨损率降低为基体的1/10,高温磨损率仅为基体的1/5,经过后续渗碳处理,磨损率比基体降低了2个数量级。经过W、C共渗处理,获得了最低的高温摩擦系数和磨损率。以上实验结果证实了“固体与分子经验电子理论”预测选择铬和钨作为欲渗元素,有利于提高Ti2AlNb合金的摩擦磨损性能。最后,研究了双层辉光等离子渗金属过程中轰击溅射条件下所产生的空位机制,并基于辐照增强扩散理论建立了渗金属过程中的扩散模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛-铝系金属间化合物的研究现状
• 1.2.1 TiAl 基合金
• 3 基合金'>1.2.2 TiAl₃基合金
• 3Al 基合金'>1.2.3 Ti₃Al 基合金
• 2AlNb 基合金'>1.3 Ti₂AlNb 基合金
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.2 存在的问题
• 1.4 钛铝合金摩擦磨损性能和机理的研究状况
• 1.4.1 摩擦磨损性能的研究状况
• 1.4.2 摩擦磨损机理的研究状况
• 1.5 研究的目的和意义
• 2AlNb 基合金耐磨改性的可行性分析'>1.6 Ti₂AlNb 基合金耐磨改性的可行性分析
• 1.7 研究的主要内容和技术路线
• 1.7.1 主要内容
• 1.7.2 技术路线
• 2AlNb 基合金表面合金化的设计与分析'>第二章 Ti₂AlNb 基合金表面合金化的设计与分析
• 2.1 材料设计理论—“余氏理论”
• 2.1.1 四个基本假设
• 2.1.2 键距差方法
• 2.1.3 平均原子模型和平均晶胞模型
• 2.2 基于EET 理论的原子占位对材料性能的预测
• 2.2.1 Cr、W 在钛铝系合金中的占位情况
• 2AlNb 基合金价电子结构的研究'>2.2.2 Cr、W 替代Ti₂AlNb 基合金价电子结构的研究
• 2AlNb 基合金电子结构的计算'>2.2.3 W 替代Ti₂AlNb 基合金电子结构的计算
• 2AlNb 基合金的影响'>2.2.4 W 在不同配比下对Ti₂AlNb 基合金的影响
• 2.3 本章小结
• 2AlNb 合金等离子表面合金化的工艺研究和优化'>第三章 Ti₂AlNb 合金等离子表面合金化的工艺研究和优化
• 3.1 双层辉光等离子表面合金化的原理
• 3.2 材料选择和试样的制备
• 3.2.1 阴极材料
• 3.2.2 源极材料
• 3.2.3 渗具布置
• 3.2.4 实验设备及步骤
• 3.2.5 测试方法和手段
• 3.2.6 工艺试验方案
• 2AlNb 基合金渗Cr 的工艺研究'>3.3 Ti₂AlNb 基合金渗Cr 的工艺研究
• 3.3.1 温度对渗铬层的影响
• 3.3.2 气压对渗铬层的影响
• 3.3.3 极间距对渗铬层的影响
• 3.3.4 保温时间对渗铬层的影响
• 3.3.5 渗Cr 的最佳工艺参数
• 2AlNb 基合金渗W 的工艺研究'>3.4 Ti₂AlNb 基合金渗W 的工艺研究
• 3.4.1 温度对渗钨层的影响
• 3.4.2 气压对渗钨层的影响
• 3.4.3 极间距对渗钨层的影响
• 3.4.4 时间对渗钨层的影响
• 3.4.5 渗W 的最佳工艺参数
• 2AlNb 基合金渗Cr 后固体渗碳和离子渗碳的研究'>3.5 Ti₂AlNb 基合金渗Cr 后固体渗碳和离子渗碳的研究
• 3.5.1 渗铬后固体渗碳的组织结构
• 3.5.2 渗铬后等离子渗碳层的组织结构
• 2AlNb 基合金W-C 共渗的研究'>3.6 Ti₂AlNb 基合金W-C 共渗的研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 等离子表面合金化层的力学性能表征
• 4.1 宏观硬度表征
• 4.1.1 渗铬层的截面显微硬度
• 4.1.2 渗铬后等离子渗碳的截面显微硬度
• 4.1.3 渗钨层的截面显微硬度
• 4.2 超显微硬度和弹性模量表征
• 4.2.1 渗Cr 层的纳米压入分析
• 4.2.2 等离子Cr-C 共渗层的纳米压入分析
• 4.2.3 渗W 层的纳米压入分析
• 4.2.4 等离子W-C 共渗层的纳米压入分析
• 4.2.5 基体和不同渗层之间的纳米压入分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 等离子表面合金化层摩擦学行为的研究
• 5.1 试验材料及设备
• 5.1.1 试样的制备
• 5.1.2 实验设备及性能评价
• 5.2 等离子渗Cr 层的摩擦磨损性能
• 5.2.1 等离子渗铬对Ti-Al-Nb 摩擦磨损性能的影响
• 5.2.2 温度对渗Cr 层摩擦磨损性能的影响
• 5.2.3 速度对渗Cr 层摩擦磨损性能的影响
• 5.2.4 载荷对渗Cr 层摩擦磨损性能的影响
• 5.2.5 渗碳处理对渗Cr 层摩擦磨损性能的影响
• 5.3 等离子渗W 层的摩擦磨损性能
• 5.3.1 等离子渗W 对Ti-Al-Nb 室温高温摩擦磨损性能的影响
• 5.3.2 速度对渗W 层摩擦磨损性能的影响
• 5.3.3 载荷对渗W 层摩擦磨损性能的影响
• 5.3.4 配副对渗W 层摩擦磨损性能的影响
• 5.3.5 渗碳处理对渗W 层摩擦磨损性能的影响
• 5.4 等离子表面合金化层摩擦磨损机理的研究
• 5.4.1 宏观机械摩擦磨损机理
• 5.4.2 微观机械摩擦磨损机理
• 5.4.3 摩擦化学反应的机理
• 5.4.4 不同配副作用下摩擦磨损机理的研究
• 5.5 等离子表面合金化层的磨损模拟
• 5.5.1 实验原理
• 5.5.2 实验模型
• 5.5.3 结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 渗金属过程中的轰击溅射行为和扩散理论的研究
• 6.1 渗金属过程中的轰击行为
• 6.2 渗金属过程中的溅射行为
• 6.3 等离子体轰击过程中粒子的输运问题
• 6.4 离子轰击条件下的扩散机理
• 6.4.1 空位机制
• 6.4.2 溶质－空位复合体机制
• 6.5 辐照增强扩散理论的研究
• 6.5.1 渗入离子在固体中传输的动态Monte Carlo 碰撞级联模型
• 6.5.2 辐照增强扩散理论模型的建立
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文