TC4钛合金表面机械合金化复合涂层的制备、组织控制及性能研究

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1、中图分类号：TF125论文编号：102870617-B019学科分类号：080503博士学位论文TC4钛合金表面机械合金化复合涂层的制备、组织控制及性能研究研究生姓名陈成学科、专业材料加工工程研究方向材料表面工程指导教师沈以赴教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一七年六月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandTechnologyResearchonFabrication,MicrostructureControllingandP

2、ropertiesofMechanicallyAlloyedCompositeCoatingsonTC4AlloyAThesisinMaterialsProcessingEngineeringbyChenChengAdvisedbyProf.ShenYifuSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyJune,2017南京航空航天大学博士学位论文摘要机械合金化作为一种固相粉末加工技术已经展示了其在制备各种合金、化合物、复合材料、纳米材料以及非平衡材料等方面的能力。利用机械

3、合金化技术亦可将粉体材料直接涂覆于试样表面制备涂层。机械合金化制备涂层是一种固相涂层制备技术，具有工艺简单，能耗少，选材灵活等特点，可制备具有上述各种结构的涂层，且特别适用于管、罐状试样内壁的涂覆。基于上述优点，机械合金化在涂层制备方面具有较大的潜力。目前，对于机械合金化表面涂覆技术的研究较少，机械合金化过程中粉末、块体材料的相互作用尚不明确。本文意图采用机械合金化方法提高TC4钛合金表面的耐磨性能及抗高温氧化性能。一方面，丰富机械合金化表面涂覆的相关研究，以期为机械合金化表面涂覆工作提供理论与实践经验。另一方面，为钛合金的表面改性引入灵活的新方法，以期在钛合金的常温应用以及高温应

4、用方面有所突破。本文采用机械合金化方法在TC4钛合金基体表面分别以Al-Cr、Al-Si合金体系以及碳化物颗粒（B4C、TiC、SiC）增强Al基复合材料体系作为涂覆材料体系制备了复合涂层。在以Al-Cr、Al-Si合金体系制备涂层的研究中发现，提高粉末中Al的含量能有效提高涂层的致密度；在一定的球磨时间内，随着球磨时间的增加，涂层厚度增加，继续增加球磨时间涂层厚度降低；球磨转速的增加能提高涂层的厚度及粗糙度。采用颗粒度较小的原始脆性粉末能有效提高涂层的均匀度，采用搅拌摩擦加工方法能有效降低涂层的表面粗糙度。对涂层的退火处理能有效改善涂层中的应力状态，消除涂层内应力。Al-Cr涂层

5、在较高温度下退火后会产生缺陷，不利于涂层性能的提高。Al-Si涂层在较高温度下退火能促进涂层与基体的扩散获得连续、致密的合金层。Al-Cr、Al-Si涂层均能提高基体表面的耐磨及抗高温氧化性能，对涂层在800℃的退火处理能进一步提高涂层性能。结合Al-Cr，Al-Si涂层的组织结构及性能特点，分别制备了单层Al-Cr-Si涂层及双层Al-Cr/Al-Si涂层。对比研究了两种涂层的组织结构及性能，初步探明了梯度涂覆涂层结构、性能与工艺相关性。结果表明，单、双层涂层均能在一定程度上提高基体表面的显微硬度，其中单层涂层具有更高的表面硬度，而双层涂层具有更稳定的硬度分布。双层涂层具有更好的

6、抗高温氧化性能而单层涂层具有更优异的耐磨性能。在碳化物颗粒（B4C、TiC、SiC）增强Al基复合涂层的研究中，发现随着原始粉末颗粒度的降低，所获得的涂层厚度、均匀度均增加。对涂层的退火处理能促进形成一定厚度的Al3Ti金属间化合物层。Al-B4C涂层退火形成较致密的陶瓷/金属复合层，Al-SiC涂层及Al-TiC涂层在退火过程中均形成疏松结构。对三种复合涂层的性能测试结果表明，Al-B4C涂层既可提高涂层表面的机械性能又能在高温条件下保护基体。Al-TiC涂层具有较好的高温防护性能。Al-SiCITi6Al4V合金表面机械合金化涂层组织控制及梯度涂覆工艺研究涂层可用于改善基体表面

7、的机械性能。本文还对机械合金化涂层沉积机理进行了研究。结果表明，机械表面涂覆过程是涂层沉积、剥落的动态过程。在磨球作用下，塑性粉末颗粒逐渐粘附在块状基体表面，并在磨球的持续作用下与基体发生扩散形成冷焊连接。此外，在磨球的剪切、摩擦作用下，涂层亦会剥落。机械合金化制备TC4钛合金表面Al基复合涂层的过程主要包括缓慢沉积阶段，迅速沉积阶段，平衡阶段及剥落阶段四个阶段。关键词：TC4钛合金，机械合金化，复合涂层，梯度涂覆工艺，摩擦磨损，高温氧化II南京航空航天大学博士学位论