钛合金用多弧离子镀氮化物涂层

论文摘要

钛合金具有较高的比强度,如果在航空发动机中尽可能使用钛合金取代不锈钢和镍基高温合金制造航空发动机压气机零部件,可以大大减轻发动机的重量,提高其推重比。针对钛合金本身耐摩擦性能差,摩擦表面易粘着磨损以及在较高温度下氧化腐蚀严重和溶氧致脆问题,本文采用了多弧离子镀技术在TA11合金表面制备了三种不同成分的涂层,分别是：Tio.7Al0.3N/TiN（内层为TiN,外层为Ti0.7Al0.3N）、Ti0.49Al0.49Y0.02N/TiN（内层为TiN,外层为Ti0.49Al0.49Y0.02N）、Ti0.48Al0.48Y0.04N/TiN（内层为TiN,外层为Tio.48Al0.48Y0.04N）涂层。研究其硬度、耐磨性、抗冲刷性能以及400℃服役温度下的抗氯化钠盐膜+水蒸气协同腐蚀、抗热震、抗热循环、抗恒温氧化等性能。研究表明：TA11基体合金表面的平均硬度约为300HV,Ti0.7Al0.3N/TiN、Ti0.49A10.49Y0.02N/TiN、Ti0.48Al0.48Y0.04N/TiN涂层均显著提高了TA11合金表面的硬度,分别为1900HV,3000HV和5150HV。铝含量的增加及Y元素的加入明显提高了涂层的硬度。硬度是影响试样耐磨性及抗冲刷性能的重要因素之一,涂层试样的耐磨性和抗冲刷性能的优劣顺序为Ti0.48Al0.48Y0.04N/TiN>Ti0.49Al0.49Y0.02N/TiN>Ti0.7Alo.3N/TiN涂层。在海洋环境下服役的飞机,压气机部件面临着由水蒸气和固态NaCl协同作用引起的加速腐蚀问题。由于遭受C1和O等的共同作用,钛合金以“活化氧化”机制发生腐蚀,水蒸气的存在又促进了中间产物HCl（g）的生成,HCl（g）会循环地与基体发生反应,引起加速的催化腐蚀过程。涂层经预氧化处理后的Ti0.7Al0.3N/TiN、Tio.49Al0.49Y0.02N/TiN、Ti0.48Al0.48Y0.04N/TiN涂层均显著提高了TA11的抗氯化钠盐膜和水蒸气协同腐蚀性能,阻碍了挥发性氯化物的生成及向基体的扩散,在TA11基体合金的服役温度400℃下,达到良好的防护效果。并具有良好的抗热震、抗热循环性能以及抗恒温氧化性能,保证应用中其零部件安全可靠性。Y元素的加入提高了涂层的抗氧化性能及抗腐蚀性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金防护涂层
• 1.2.1 金属包覆涂层
• 1.2.2 扩散涂层
• 1.2.3 搪瓷和陶瓷涂层
• 1.3 氮化物涂层的发展
• 1.4 物理气相沉积技术（PVD）
• 1.4.1 PVD技术原理和特点
• 1.4.2 多弧离子镀的基本结构和沉积原理
• 1.5 本论文的研究背景、目的和内容
• 第2章 样品的制备及实验方法
• 2.1 样品的制备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 显微硬度测量
• 2.2.2 摩擦磨损实验
• 2.2.3 冲刷实验
• 2.2.4 热震实验
• 2.2.5 循环氧化实验
• 2.2.6 恒温氧化实验
• 2.2.7 固态NaCl盐和水蒸气协同作用下的腐蚀实验
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 扫描电子显微术（Scanning Electron Microscopy）和能谱（Energy DispersiveSpectroscopy）分析
• 2.3.2 X射线衍射（X-ray Diffraction）
• 第3章 涂层物理性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 涂层的显微组织
• 3.2.2 硬度
• 3.2.3 耐磨性
• 3.2.4 冲刷性能
• 3.3 分析与讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 涂层耐蚀性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 氯化钠盐膜+水蒸气综合腐蚀实验结果
• 4.2.2 热震实验结果
• 4.2.3 氧化实验结果
• 4.3 分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢