γ-TiAl合金等离子渗W与W-C复合渗工艺及渗层性能研究

论文摘要

γ-TiAl基合金具有高的比强度、比弹性模量和良好的高温强度等。因而被认为是新一代高温结构候选材料之一,可广泛应用于航空、航天、军工等工业部门。然而,γ-TiAl合金的耐磨性能和抗高温氧化能力不足限制了其应用范围,成为亟待解决的关键问题。针对上述问题,本文采用双层辉光等离子表面合金化技术,在γ-TiAl合金表面形成渗W合金层及W-C复合渗层。并利用光学显微镜（OM）,能谱仪（EDS）,X射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）分析了合金层的显微组织、化学成分及其相组成,并测试了其弹性模量、显微硬度、高温（500℃）和常温摩擦磨损性能以及三个温度（650℃、750℃和850℃）下的抗高温氧化能力。另外,还用“固体与分子经验电子理论”计算了TiAl基合金中W原子在不同占位比时价电子结构,并分析了W的溶入量的大小对合金性能的影响变化规律。结果表明:在优化工艺条件下,γ-TiAl合金表面合金层的成分由表面向基体内部呈梯度分布,合金层与基体冶金结合。渗W合金层有效厚度大约30μm,渗层主要以TixWx-1合金相为主,而W-C复合渗层主要以W2C和TiC为主。渗W合金层和W-C复合渗层均提高了基体在室温和500℃下的耐磨性能,特别是W-C复合渗层在500℃下提高尤其明显。两种渗层的抗高温氧化性能在不同温度下表现出较大的差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 TiAl 基合金研究概况
• 1.1.1 TiAl 基合金的研究进展
• 1.1.2 TiAl 基合金的应用及存在问题
• 1.2 TiAl 基合金的表面合金化发展概况
• 1.2.1 钛铝合金表面渗碳处理
• 1.2.2 钛铝合金表面渗氮处理
• 1.2.3 钛铝合金表面渗硼处理
• 1.2.4 钛铝合金表面激光处理
• 1.2.5 钛铝合金等离子表面合金化
• 1.3 课题的研究背景及主要研究内容
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 可行性分析
• 1.3.3 课题的研究内容
• 第二章 表面合金化层的价电子结构分析研究
• 2.1 余氏理论概述
• 2.1.1 四个基本假设
• 2.1.2 键距差法
• 2.2 合金相价电子结构的分析计算过程
• 2.2.1 原子状态杂化表
• 1-xW_x)Al 晶体结构模型的确定'>2.2.2 (Ti_1-xW_x)Al 晶体结构模型的确定
• 2.2.3 实验键距和等同键数
• 1-xW_x)Al 相价电子结构的计算'>2.2.4 (Ti_1-xW_x)Al 相价电子结构的计算
• 2.3 W 溶入量对合金性能的影响
• 2.3.1 W 溶入量大小对合金相稳定性的影响
• 2.3.2 W 溶入量的大小对合金相硬度和塑性的影响
• 2.3.3 W 溶入量大小对合金相强度的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 γ-TiAl 基合金表面渗W 和W-C 复合渗层制备工艺
• 3.1 试验原理与方法
• 3.1.1 双层辉光等离子渗金属原理
• 3.1.2 实验材料和工装布置
• 3.2 主要工艺参数及其作用规律
• 3.2.1 源极电压和工件电压
• 3.2.2 极间距
• 3.2.3 工作气压
• 3.2.4 保温时间和温度
• 3.3 工艺温度对渗W 合金层的影响
• 3.4 工艺过程中炉内温度场分析
• 3.4.1 CCD 技术测温原理
• 3.4.2 CCD 测温系统和试验方法
• 3.4.3 温度场测量结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 等离子表面合金层组织结构及力学性能的研究
• 4.1 合金层的微观形貌分析
• 4.1.1 等离子渗W 合金层的组织结构
• 4.1.2 等离子W-C 复合渗层的组织结构
• 4.2 合金层的相结构分析
• 4.2.1 等离子渗W 合金层的相结构
• 4.2.2 等离子W-C 复合渗层的相结构
• 4.3 合金层的显微硬度分析
• 4.3.1 等离子渗W 合金层的显微硬度
• 4.3.2 等离子W-C 复合渗层的显微硬度
• 4.4 合金层的纳米压入分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 等离子表面合金层的摩擦磨损性能研究
• 5.1 试验设备及材料
• 5.1.1 试验原理与设备
• 5.1.2 实验材料与参数
• 5.1.3 摩擦磨损性能测试与表征
• 5.2 20℃下渗W 和W-C 复合渗改性层的摩擦磨损性能
• 5.2.1 摩擦系数
• 5.2.2 磨痕形貌
• 5.2.3 磨损量
• 5.3 500℃条件下渗W 和W-C 复合渗改性层的摩擦磨损性能
• 5.3.1 摩擦系数
• 5.3.2 磨痕形貌
• 5.3.3 磨损量
• 5.4 本章小结
• 第六章 等离子表面合金层的高温抗氧化性能研究
• 6.1 高温氧化试验方法
• 6.2 650℃高温氧化试验结果
• 6.2.1 氧化膜表面形貌
• 6.2.2 表面氧化产物分析
• 6.2.3 氧化动力学曲线
• 6.3 750℃高温氧化试验结果
• 6.3.1 氧化膜表面形貌
• 6.3.2 表面氧化产物分析
• 6.3.3 氧化动力学曲线
• 6.4 850℃高温氧化试验结果
• 6.4.1 氧化膜表面形貌
• 6.4.2 表面氧化产物分析
• 6.4.3 氧化动力学曲线
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文