高温自润滑TiAl基合金的制备及其性能研究

论文摘要

在TiAl合金中添加CaF2-BaF2共晶体创新出的新型轻质摩擦学材料可大幅度地改善高速摩擦副的动力学性能。论文首次以TiAl合金为基,通过添加CaF2-BaF2共晶体制备出高温自润滑TiAl新型合金,并研究了其结构特征、物理性能和摩擦学特性。文中在大量的工艺试验基础上,优选出高温自润滑TiAl合金的烧结工艺（烧结温度1200℃,保温30min,烧结压力为30MPa）,在此工艺范围内,TiAl合金显现出高的弯曲强度和断裂韧性。通过添加强化粒子,使合金界面的粒子成为位错移动的阻碍,位错线切过粒子时形成位错环,从而产生Orowan位错强化,进一步增强了合金的力学性能。为了实现高温自润滑TiAl合金的相结构稳定性,文中研究了其微观结构和相结构特征。研究表明:该新型合金组织主要为γ-TiAl相和α2-Ti3Al相,颗粒中心是富Al的α-Ti;但该相结构与热压温度有关,当热压温度升高1200℃时,合金中的相颗粒状物联接成岛状,同时在基体相中出现了一些较为规整的晶粒和孪晶。显微组织由α2/γ层片状晶团和γ晶粒组成,其中,α2/γ层片状晶团的尺寸在50-100μm之间,γ晶粒为10-40μm之间,而且层片晶团内板条的厚度较大。为了提高TiAl合金的高温工作可靠性,文中重点研究了其抗氧化性能。研究发现:当在TANC（Ti-48Al-2Nb-2Cr）基体中添加不同润滑剂,可影响其氧化动力学曲线,当固体润滑剂含量为5%时,其动力学曲线呈抛物线形状,且能够阻塞氧扩散通道,从而提高其抗氧化性能,而过多的润滑剂的添加反而不利于其抗氧化性。文中通过高温磨损试验分析了自润滑TiAl合金在不同固体润滑剂质量分数下的减摩机理和润滑膜成膜机理。研究表明:添加10%（38%CaF2-62%BaF2）固体润滑剂使材料的磨损率最低,且在磨损过程中,能够在磨损表面形成一层较完整的润滑膜,膜的存在使其具有很好的减摩性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 TiAl合金研究的国内外概况
• 1.1.1 TiAl合金研究进展
• 1.1.2 TiAl合金的性能及制备工艺研究概况
• 1.2 高温自润滑材料研究现状
• 1.3 本课题研究的目的和意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究的主要内容
• 1.3.3 论文的技术路线
• 第2章 TiAl基合金的摩擦学设计
• 2.1 组分设计
• 2.1.1 基体合金选择
• 2.1.2 润滑剂选择
• 2.1.3 材料配比
• 2.2 高温抗氧化性设计
• 2.3 高温强度设计
• 2.4 耐磨性设计
• 2.5 制备方法设计
• 第3章 高温自润滑TiAl基合金制备工艺
• 3.1 实验仪器与设备
• 3.2 高温自润滑TiAl基合金的制备工艺
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 制备工艺流程
• 3.3 试样制备
• 3.4 高温自润滑TiAl基合金的成型机理
• 3.4.1 固-固晶体生长模式
• 3.4.2 液相-固相平衡的晶体生长
• 3.4.3 TiAl生长动力学过程及晶粒生长模型
• 3.5 材料工艺参数对其致密度的影响
• 3.6 本章结论
• 第4章 固体润滑剂对材料相结构及力学性能影响
• 4.1 基体组织与相结构
• 4.2 固体润滑剂对材料相组成和结构的影响
• 4.2.1 相组成
• 4.2.2 相结构
• 4.3 固体润滑剂对材料力学性能的影响
• 4.3.1 硬度
• 4.3.2 弯曲强度
• 4.3.3 断裂韧性
• 4.4 强化机制
• 4.5 本章结论
• 第5章 高温自润滑TiAl基合金氧化动力学研究
• 5.1 恒温氧化动力学曲线分析
• 5.2 氧化产物分析
• 5.3 氧化层形貌及微观结构
• 第6章 自润滑TiAl基合金摩擦学特性及其W-μ模型
• 6.1 润滑剂对材料摩擦磨损性能的影响
• 6.2 润滑机理分析
• 6.3 自润滑TiAl基合金W-μ分析模型
• 6.4 本章结论
• 第7章 结论
• 7.1 总结
• 7.2 论文主要创新点
• 7.3 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 附录: 实验仪器与设备