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用。為了確保安全，70年代末，美英又將現(xiàn)役發(fā)動機中高壓壓氣機靜子葉片、機匣等鈦合金零部件重新?lián)Q成合金鋼和鎳基高溫合金。俄羅斯也嚴格限制鈦合金在民航發(fā)動機高溫靜止部件的應用。因此，美國和俄羅斯自70年代開始研制阻燃鈦合金，我國在這方面的研究起步較晚，與國外差距較大。 90年代，國際上已經(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，可使合金熔點下降很多，并使熱導率

3、增加，這意味著燃燒前表面會軟化或熔化，吸收大量熱量；同時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的加入使合金熔點降低，摩擦生熱時，表面會析出液態(tài)相，降低摩擦系數(shù)，同時吸收大量的熱。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、的研究與應用已經(jīng)取得一些成就，但是總體上看還遠未達到成熟的程度，無論在阻燃機理研究及生產(chǎn)開發(fā)應用上都有待進一步發(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性能降低，甚至失去了比強度高這一鈦合金的基本特點；。 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： ①、表面合金化在普通鈦材成型和加工后的零件上進行，克服整體阻燃鈦合金制備工藝復雜，加工性能較差的缺點； ②、阻燃功能由表面阻燃合金層承擔，整體力學性能則靠基體鈦材承擔，保持了鈦合金比強度高等優(yōu)點； 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散、熱力學及摩擦學三個方面，對阻燃機理進行了分析，在此基礎上，結合現(xiàn)有文獻，提出合理的表面阻燃合金體系為：Ti-Cu(其中，Cu含量要達到10-15％)；Ti-Cr(其中，Cr含量要達到10-20％)；Ti-Mo。 表面合金化采用雙層輝光離子滲金屬技術。該技術的基本原理是在離子氮化裝置中增加一個欲滲合金元素構成的源

7、極。該源極和陽極以及工件和陽極之間各設置一個直流可調(diào)壓電源。當真空室抽真空并充以氬氣達到一定工作氣壓后，接通兩個直流電源，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，對鈦合金表面雙層輝光離子滲金屬工藝進行研究。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、保溫時間等參數(shù)對滲層成分、厚度等的影響。結果表明，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℃，保溫時間3.5小時以上；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℃，保溫時間2小時以上。 利用CCD技術，對雙層輝光放電區(qū)域的等離子溫度分布進行了測量，結果表明，雙層輝光放電區(qū)域的溫度場基本均勻，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存在邊角效應。 對雙層輝光放電條件下，TA2表面形貌特征進行了研究

10、。結果表明，在滲Cr初期，TA2表面變粗糙，隨保溫時間的增加，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小時后，滲層厚度可達到200μm，最外表面Cu元素的重量百分比達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)可達到20％。合金層的顯微組織為α+β+細小的、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到預先設計的要求。 Ti-Mo合金層厚度可達到40μm以上，Mo含量在最表面可達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合金層厚度可達到100μm，最外表Cr含量可達到13％，Mo含量達3％。合金層顯微組織為基體組織加少許細小Cr2Ti析出物。 球盤磨損試驗結果表明，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元素則對鈦合金抗高溫氧化沒有貢獻。 初步阻燃試驗表明，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。 劃痕試驗證明，合金層與基體結合良好。 雙輝等離子表面合金化是一個在離子轟擊條件下，吸附到工件表面的溶質原子通過熱擴散進入基體的過程，其特點之一是滲入元素在基體中的擴散速度較快。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散

14、過程可以用半無限長擴散模型準確描述；當沒有沉積層，表面成分較高，成分穿越幾個相區(qū)的情形下，Wagner型多層擴散模型與試驗結果符合很好；當沒有沉積層，且表面合金成分較低，成分只位于1個相區(qū)的情形下，可以用Wagner型二層擴散模型來描述擴散過程。 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，降低了金屬原子擴散激活能，從而提高了金屬原子的擴散系數(shù)，另一方面，空位濃度梯度的存在使金屬原子受到一個向內(nèi)的作