雙層輝光等離子表面合金化阻燃鈦合金研究.pdf

1、常規(guī)鈦合金在一定的氣壓、溫度和工作條件下會(huì)發(fā)生氧化和燃燒，而且蔓延速度很快，俗稱之為“鈦火”。鈦合金的可燃性限制了其在某些服役條件下的應(yīng)用。為了確保安全，70年代末，美英又將現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)中高壓壓氣機(jī)靜子葉片、機(jī)匣等鈦合金零部件重新?lián)Q成合金鋼和鎳基高溫合金。俄羅斯也嚴(yán)格限制鈦合金在民航發(fā)動(dòng)機(jī)高溫靜止部件的應(yīng)用。因此，美國(guó)和俄羅斯自70年代開始研制阻燃鈦合金，我國(guó)在這方面的研究起步較晚，與國(guó)外差距較大。 90年代，國(guó)際上已經(jīng)研究出Ti

2、-V-Cr系、Ti-Cu-Al系和Ti-Nb系等多種合金體系的阻燃鈦合金，具代表性的是美國(guó)的AlloyC(Ti-35V-15Cr)和Ti-45Nb；俄羅斯的BTT-1(Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr)和BTT-3(Ti-18Cu-2Al-2Mo)；我國(guó)的Ti-40(Ti-25V-15Cr-Si)和Ti14(Ti-13Cu-1Al)。在Ti-V-Cr系阻燃鈦合金中，由于合金元素V和Cr的加入量較高，可使合金熔點(diǎn)下降很多，并使熱導(dǎo)率

3、增加，這意味著燃燒前表面會(huì)軟化或熔化，吸收大量熱量；同時(shí)軟化的表面防止剛性摩擦的發(fā)生，也減少了摩擦熱。此外加入的合金元素Cr的氧化膜致密且氧化生成熱也較低。在Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金中，合金元素Cu和Al的加入使合金熔點(diǎn)降低，摩擦生熱時(shí)，表面會(huì)析出液態(tài)相，降低摩擦系數(shù)，同時(shí)吸收大量的熱。由于Nb在鈦合金主要合金元素中，具有最小的氧化生成熱，所以也發(fā)展了Ti-Nb系阻燃鈦合金，而且Ti-Nb系合金有很好的抗蝕性能。 阻燃鈦合金

4、的研究與應(yīng)用已經(jīng)取得一些成就，但是總體上看還遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的程度，無論在阻燃機(jī)理研究及生產(chǎn)開發(fā)應(yīng)用上都有待進(jìn)一步發(fā)展。比較突出的問題是： ①、熔煉困難，加工性能差； ②、大量的合金元素加入使鈦合金整體力學(xué)性能降低，甚至失去了比強(qiáng)度高這一鈦合金的基本特點(diǎn)；。 ③、合金元素的含量高，且這些合金元素大多比較貴重，使得阻燃鈦合金的成本很高。 針對(duì)以上問題，本文提出發(fā)展表面阻燃鈦合金的新思路，即通過表面合金化在常規(guī)鈦

5、材料表面形成具有阻燃性能的合金層，同時(shí)保留原鈦材性能。具有阻燃作用的許多合金元素如Cu、Cr、Mo等在鈦中都有較大的溶解度，因此表面合金化改性的思路是可行的。與整體阻燃鈦合金相比，表面阻燃鈦合金具有以下特點(diǎn)： ①、表面合金化在普通鈦材成型和加工后的零件上進(jìn)行，克服整體阻燃鈦合金制備工藝復(fù)雜，加工性能較差的缺點(diǎn)； ②、阻燃功能由表面阻燃合金層承擔(dān)，整體力學(xué)性能則靠基體鈦材承擔(dān)，保持了鈦合金比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)； ③、表面

6、阻燃鈦合金厚度在50-300μm范圍內(nèi)，合金元素用量較小，大大降低阻燃鈦合金的成本。 本文首先從氧的吸附與擴(kuò)散、熱力學(xué)及摩擦學(xué)三個(gè)方面，對(duì)阻燃機(jī)理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)，提出合理的表面阻燃合金體系為：Ti-Cu(其中，Cu含量要達(dá)到10-15％)；Ti-Cr(其中，Cr含量要達(dá)到10-20％)；Ti-Mo。 表面合金化采用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是在離子氮化裝置中增加一個(gè)欲滲合金元素構(gòu)成的源

7、極。該源極和陽極以及工件和陽極之間各設(shè)置一個(gè)直流可調(diào)壓電源。當(dāng)真空室抽真空并充以氬氣達(dá)到一定工作氣壓后，接通兩個(gè)直流電源，使工件和源極分別產(chǎn)生輝光放電，此即所謂雙層輝光放電現(xiàn)象。輝光放電所產(chǎn)生的氬離子轟擊，使源極濺射出合金元素并飛向工件，而工件經(jīng)離子轟擊被加熱到高溫。合金元素借助于轟擊、吸附和擴(kuò)散而滲入工件表面，從而形成含有欲滲合金元素的合金層。該合金層中的合金元素含量和合金層厚度可以通過調(diào)節(jié)工作氣壓、源極和工件電壓及電流以及溫度和滲入

8、時(shí)間等工藝參數(shù)加以控制。 本文以TA2、TC4、TC11為基體材料，Cu、Cr、Mo為合金化元素，進(jìn)行雙層輝光等離子表面合金化研究。以TC4滲Cu，TC11滲Cr為代表，對(duì)鈦合金表面雙層輝光離子滲金屬工藝進(jìn)行研究。系統(tǒng)研究了源極電壓、工件電壓、源極與陰極間距溫度、工作氣壓、保溫時(shí)間等參數(shù)對(duì)滲層成分、厚度等的影響。結(jié)果表明，TC4滲Cu的合理工藝條件為：工作氣壓25Pa左右，源極電壓800V，工件電壓350V，源極與工件距離16m

9、m，溫度870℃，保溫時(shí)間3.5小時(shí)以上；TC11滲Cr的合理工藝條件為：工作氣壓25Pa左右，源極電壓700V，工件電壓350V，源極與工件距離18mm，溫度900℃，保溫時(shí)間2小時(shí)以上。 利用CCD技術(shù)，對(duì)雙層輝光放電區(qū)域的等離子溫度分布進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明，雙層輝光放電區(qū)域的溫度場(chǎng)基本均勻，為合金化層的成分及厚度均勻性提供了保證；源極及陰極附近溫度場(chǎng)存在邊角效應(yīng)。 對(duì)雙層輝光放電條件下，TA2表面形貌特征進(jìn)行了研究

10、。結(jié)果表明，在滲Cr初期，TA2表面變粗糙，隨保溫時(shí)間的增加，表面狀態(tài)逐步趨于平滑，其輪廓線分形維數(shù)保持在1.1-1.2之間。 TC4雙層輝光離子滲Cu3.5小時(shí)后，滲層厚度可達(dá)到200μm，最外表面Cu元素的重量百分比達(dá)14％，在距表面160μm處，Cu含量仍保持12％以上。TC11表面滲Cu合金層中，Cu元素在15μm范圍內(nèi)可達(dá)到20％。合金層的顯微組織為α+β+細(xì)小的、均勻分布的Ti2Cu金屬間化合物。Ti-Cu合金層的成

11、分與組織與俄羅斯的BTT-1阻燃鈦合金相類似。 TC4、TC11表面雙層輝光離子滲Cr處理后，在50μm范圍內(nèi)，Cr含量均超過20％。合金相顯微組織為基體組織加少量彌散分布的點(diǎn)狀Cr2Ti金屬間化合物。大部分Cr元素均固溶于β相中。Ti-Cr合金層的成分與組織達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的要求。 Ti-Mo合金層厚度可達(dá)到40μm以上，Mo含量在最表面可達(dá)100％，沿滲層方向梯度減少。合金層組織與基體組織相同，Mo全部固溶于基體中。

12、 Ti-CrMo合金層厚度可達(dá)到100μm，最外表Cr含量可達(dá)到13％，Mo含量達(dá)3％。合金層顯微組織為基體組織加少許細(xì)小Cr2Ti析出物。 球盤磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，鈦合金滲Cr、Mo、Cu后，比磨損率均有大幅度下降。其中滲Mo后，比磨損率僅為基材的1/300，滲Cu為小于1/50，滲Cr則為1/5。滲Mo、滲Cu后，鈦合金表面的摩擦系數(shù)降低，其中，滲Cu后約降低一半。 斷續(xù)高溫氧化試驗(yàn)表面，合金元素Cr、Mo的滲入，

13、大大提高了鈦合金的抗高溫氧化性能，而Cu元素則對(duì)鈦合金抗高溫氧化沒有貢獻(xiàn)。 初步阻燃試驗(yàn)表明，本文所形成的Ti-Cu、Ti-Cr、Ti-Mo及Ti-Cr-Mo合金層，均具有阻燃性能。 劃痕試驗(yàn)證明，合金層與基體結(jié)合良好。 雙輝等離子表面合金化是一個(gè)在離子轟擊條件下，吸附到工件表面的溶質(zhì)原子通過熱擴(kuò)散進(jìn)入基體的過程，其特點(diǎn)之一是滲入元素在基體中的擴(kuò)散速度較快。本文研究表明，在有沉積層的情況下，雙層輝光離子滲金屬擴(kuò)散

14、過程可以用半無限長(zhǎng)擴(kuò)散模型準(zhǔn)確描述；當(dāng)沒有沉積層，表面成分較高，成分穿越幾個(gè)相區(qū)的情形下，Wagner型多層擴(kuò)散模型與試驗(yàn)結(jié)果符合很好；當(dāng)沒有沉積層，且表面合金成分較低，成分只位于1個(gè)相區(qū)的情形下，可以用Wagner型二層擴(kuò)散模型來描述擴(kuò)散過程。 理論分析表明，離子轟擊條件下，表面形成高的空位濃度及空位濃度梯度。一方面，降低了金屬原子擴(kuò)散激活能，從而提高了金屬原子的擴(kuò)散系數(shù)，另一方面，空位濃度梯度的存在使金屬原子受到一個(gè)向內(nèi)的作