ti-%2c2-alnb+o相合金双辉等离子渗mo、cr及其性能的研究

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1、太原理工大学博士研究生学位论文Ti2A1NbO相合金双辉等离子渗Mo、Cr及其性能研究摘要Ti．Al系金属间化合物比强度高，其高温强度和刚性都比Ni基和Ti基合金高，而且还具有优良的抗高温氧化性，是航空、航天飞行器理想的新型高温结构材料，在汽车工业上也有广阔的应用前景。Ti2AINbO相合金是在配3砧基础上发展起来的：在Ti3Al中加入13稳定元素Nb，改善Ti3Al基合金的室温塑性和断裂韧性。国内外研究表明，Ti2AINb合金具有“三高一低”的优异性能，即：高的高温屈服强度、高的蠕变抗力和断裂韧性，以及低的缺口敏感性，作为新一代高温结

2、构材料显示出了巨大潜力。然而Ti．舢系金属间化合物也存在一些性能上的缺陷，使得其应用受到限制。航空发动机有许多摩擦副零件，对材料表面的耐接触磨损、冲刷磨损或微动磨损提出了很高的要求。大量的研究与试验表明，Ti．Al系金属间化合物的耐磨性不充分而不能满足上述要求。为了尽快满足航空航天以及国防军工等部门对轻比重、高性能的高温结构材料的迫切需求，Ti．Al系金属间化合物的耐磨性能的提高与解决已成为关键的工程问题之一。本课题源于2004年国防科工委所下达的民口配套计划，是针对我国先进航空发动机领域中的关键零件一热端部件隔热套摩擦副的研制而提出的

3、，该摩擦副由Y—TiAI制成的旋流器与Ti2AINbO相合金制成的喷嘴组成，零件的耐磨性急需解决。提高材料的表面耐磨性的方法很多，如离子渗氮与渗碳、离子注入、CVD、I太原理工大学博士研究生学位论文PVD以及激光表面熔覆等，但针对于Ti．Al金属间化合物尤其是Ti2AINb的应用研究却很少。本课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冶金技术，在Ti2AINbO相合金表面渗Mo、Cr以提高其耐磨性，并兼顾保持其优良的耐蚀性和抗高温氧化性。双层辉光等离子表面冶金技术的特点在于：表面合金层深度和成分可控，渗入元素含量随深度呈梯度

4、分布，与基体间无明显界面，结合牢固，无裂纹。本文的研究内容有如下几个方面：(3)Ti2A1NbO相合金双层辉光等离子渗Mo、Cr工艺研究，探讨工艺参数对表面合金层形成的影响规律；②对表面合金层的组织成分、相结构、硬度等进行分析研究；③表面合金化试样的摩擦磨损性能及机理研究；④表面合金化试样的电化学腐蚀性能及机理研究；⑤表面合金化试样的抗氧化性能及机理研究。经过反复试验验证，总结出Ti2AINbO相合金双层辉光等离子渗Mo的最佳工艺参数为：温度r=950。C～1000"C，时间f=3～5h，气压P=30～50Pa，极间距d=15ram，源

5、极电压赡=800～1100V，阴极电压％=300～600V。Ti2A1NbO相合金双层辉光等离子渗Cr的最佳工艺参数为：温度r=980。C～1000℃，时间t；4h～5h，气压P=40～50Pa，极间距d=18mm，源极电压殆=800～1100V，阴极电压跆=300～600V。Ti2AINbO相合金双层辉光等离子渗Mo及渗Cr试样表面均形成了均匀致密的合金层。在最佳工艺条件下，Ti2AINbO相合金双层辉光等离子渗Mo层有效厚度达lOOMm，渗层组织呈板条状，表面约有6pm的Mo沉积层，其Ⅱ太原理工大学博士研究生学位论文含量达95wt％

6、，沉积层下是Mo的扩散层，由表及里Mo含量逐渐降低，铝元素主要以纯Mo和A15Mo相的形式存在，表面硬度高达HV800以上；Ti2AINbO相合金双层辉光等离子渗Cr层有效厚度达309m，渗层组织呈板条状，各相间隔交织。表面的Cr含量达38wt％，随着扩散深度的增加，Cr含量逐渐降低，呈梯度分布。渗层主要由A18Cr5和AINb2组成，还存在少量的Cr2Ti及Cr2Nb相。表面硬度最高达HV950。表面合金层中含Mo、Cr的硬质金属间化合物的形成对提高材料的耐磨性起到有益的作用。在Ti2AINb双辉等离子渗Mo的工艺参数中，温度、时间对

7、其表面硬度均有较大的影响，而气压、极间距的变化对硬度影响不显著。Ti2AINb离子渗碳后表面硬度达HV540，Ti2AINb离子渗氮后表面硬度最高达HV575，从提高Ti：AINbO相合金耐磨性的目的考虑，采用双层辉光等离子渗Mo及渗Cr效果更显著。摩擦磨损性能的试验，采用了常温以及5004C高温下的干摩擦磨损性能试验两种方法。在室温下，Ti2AINb基材产生了较高的摩擦系数，其磨痕形貌表现为严重的粘着、擦伤、撕裂与塑性流动的特征，磨损机理为粘着磨损并伴有磨粒磨损，磨损量较大，磨损抗力较低，耐磨性能较差；渗Mo试样摩擦系数非常低，随滑动

8、时间的延续几乎无变化，磨损失重远低于基材，磨损量很小，表现出了优良的摩擦磨损性能；渗Cr试样的摩擦系数也非常低，随滑动时间的延续几乎无变化，磨损量很小，表现出了优良的摩擦磨损性能。5009C的高温摩擦磨损试