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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǔ)上，結(jié)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(shù)。該技術(shù)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(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(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(shù)，對雙層輝光放電區(qū)域的等離子溫度分布進行了測量，結(jié)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(yīng)。 對雙層輝光放電條件下，TA2表面形貌特征進行了研究

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(shè)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(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(jié)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(zhì)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(jié)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