TiAl基合金等離子表面滲鉻及其抗氧化和耐磨性能研究.pdf

1、TiAl基合金的密度僅為目前大量應(yīng)用的鎳基高溫合金的一半左右，而高溫力學(xué)性能卻與之相近。如果用TiAl基合金替代鎳基合金應(yīng)用與航空航天工業(yè)，十分有助于減輕零部件重量，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。然而，由于TiAl目前尚存在抗高溫氧化性能及耐磨性較差的弱點(diǎn)，無(wú)法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的要求?？寡趸澳湍バ跃鶎俨牧系谋砻嫘阅埽虼酸槍?duì)TiAl上述問(wèn)題通過(guò)表面處理提高其抗氧化及耐磨性是很有意義的工作，也是長(zhǎng)期以來(lái)的研究熱點(diǎn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的許多零部件要承受

2、振動(dòng)、冷熱循環(huán)、氧化、磨損等多重因素的損害，現(xiàn)有的涂層技術(shù)由于存在改性層與基體的相容性及結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題，在如此復(fù)雜工況下容易發(fā)生開(kāi)裂剝落而失效，應(yīng)用受到一定限制。
　　 本文采用等離子表面冶金技術(shù)在TiAl基合金表面通過(guò)滲鉻獲得TiAl-Cr表面合金層，提高表面的抗氧化性及耐磨性。合金層是與基體材料冶金結(jié)合的擴(kuò)散層，可有效避免涂層的結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題，為T(mén)iAl基合金的表面改性提供一種新的技術(shù)選擇。通過(guò)第一性原理計(jì)算，從理論上分析了在T

3、iAl表面滲鉻的可行性。系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對(duì)TiAl-Cr合金層形成的影響，對(duì)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)TiAl-Cr合金層的高溫氧化性能及耐磨性進(jìn)行了深入研究，并與未處理的原始材料進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上分析了滲鉻對(duì)上述性能的影響規(guī)律與機(jī)理。此外對(duì)輝光放電條件下的離子轟擊行為進(jìn)行了初步的探討。主要研究結(jié)果如下：
　　 理論分析表明，TiAl中滲入鉻，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，證明了TiAl-Cr合金層的形成是可行的。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，在TiAl

4、基合金表面形成了致密連續(xù)的TiAl-Cr合金層，厚度約60μm，表面鉻含量達(dá)90[％]以上，硬度650 HV0.01，與基體相比提高了近一倍。
　　 氧化試驗(yàn)表明，TiAl合金在650℃抗氧化性良好，優(yōu)于TiAl-Cr合金層。在900℃的氧化過(guò)程中，TiAl-Cr的氧化增重僅為T(mén)iAl的四分之一，抗氧化性能顯著改善。TiAl表面形成富TiO2的Al2O3+TiO2混合態(tài)氧化膜，整體疏松多孔，并有明顯的分層，剝落嚴(yán)重。TiAl-C

5、r氧化膜初期由Cr2O3為主，逐漸變化為Cr2O3+Al2O3+TiO2的混合態(tài)，氧化后期Cr2O3消失，演變?yōu)锳l2O3+TiO2的混合態(tài)，Al2O3在其中占優(yōu)。氧化膜始終保持完整致密，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋及剝落現(xiàn)象。鉻改善抗氧化性的機(jī)理主要?dú)w結(jié)為提高氧化膜的粘附性與促進(jìn)鋁的選擇性氧化。
　　 室溫滑動(dòng)摩擦條件下，TiAl-Cr合金層相對(duì)原始材料試樣摩擦系數(shù)及磨損量均明顯下降，耐磨性提高的同時(shí)也有一定的減摩效果。500℃高溫滑動(dòng)摩擦?xí)r