钛合金激光表面Ti-Al-X多元合金化层的组织和性能

【类型】学位论文

【作者】戴景杰 

【关键词】 X多元合金化层,Ti,激光表面合金化,高温性能,Al,钛合金,组织

【摘要】钛及钛合金因比强度高、密度小、耐蚀性好、中温强度稳定及易于机械加工和焊接,因而被广泛应用于航空航天、医学、化工、军事等领域。特别是在航空工业,随着飞机性能的提升和航空发动机推重比的提高,钛及钛合金的用量将逐渐增加。然而低的硬度、差的抗磨损性能和抗高温氧化性能严重限制了其更为广泛的应用。由于磨损和氧化主要发生在材料的表面,因此表面处理是在不改变材料整理性能的前提下赋予材料表面特殊性能的最佳方法。激光表面合金化技术因具有能量高、工件变形小、合金化层厚度可控以及合金化层与基体呈良好的冶金结合等优点而获得了广泛的应用。本文基于高温防护涂层的基本要求和合金元素在提高钛合金性能方面的作用机制,采用激光表面合金化技术在Ti-6A1-4V合金表面制备以Ti和A1两种元素为主元、Nb和(或)Si作为调控元素的Ti-Al-X多元合金化层,以同时提高钛合金表面的室温力学性能和高温性能,包括硬度、室温摩擦磨损性能、抗高温氧化性能和高温摩擦磨损性能。系统研究了合金化层的组织结构、硬度、不同温度下的摩擦磨损行为及在800℃的高温氧化行为,探讨了合金元素对合金化层性能的影响机理。Ti-Al合金化层主要由TiAl和Ti3Al相组成,与基体呈典型的冶金结合,在800℃氧化1000h后表面氧化膜呈现典型的多层结构,从外到内依次为Ti02/Al203/(Ti02+Al203)/氧扩散区。Ti-Al合金化层表面氧化膜的这种多层结构主要是由于Ti和Al相近的氧化热力学以及Ti较高的氧化动力学造成的。Ti-Al合金化层在800℃氧化1OOOh后的产物为R-Ti02和α-Al203的混合氧化物,氧化增重为42.2mg/cm2,仅为Ti-6Al-4V合金基体的1/6,表现出良好的抗高温氧化性能。Ti-Al合金化层表面氧化膜中A1203的形成降低了氧化膜中Ti02的比例以及氧化膜中的缺陷浓度,提高了氧化膜的致密性,在一定程度上抑制了元素的互扩散,降低了氧化速率。与基体相比,由于Ti-Al合金化层硬度较高,因而在室温、600℃和800℃均表现出良好的抗磨损性能。但由于Ti-Al合金化层的高脆性和大的热应力,在凝固过程中形成了大量的裂纹,特别是贯穿性裂纹,在氧化时造成了灾难性的局部氧化,且表面氧化膜在氧化l00h后出现了剥落现象,因此Ti-Al合金化层很难为合金基体在800℃提供长期的抗高温氧化防护。Ti-Al-xNb合金化层主要由TiAl和Ti3Al相组成,由于Nb添加改善了合金化层的塑性,裂纹数量明显减少。在800℃的整个氧化周期内,Ti-Al-xNb合金化层表面氧化膜未见明显的剥落现象,氧化1000h后的增重为基体的1/5.9-1/15,显示出良好的抗高温氧化性。在一定的Nb添加范围内,随着Nb添加量的提高,合金化层的氧化速率降低。当Nb的添加量为40wt.%时,合金化层的抗高温氧化性最好,为Ti-Al合金化层的2.4倍。然而过多的Nb添加量反而使合金化层的抗高温氧化效果下降,Ti-Al-xNb合金化层的抗高温氧化效果取决与Al和Nb的协同作用。Nb添加提高合金化层的抗高温氧化性主要归因于显著降低了合金化层表面氧化膜中TiO2的点缺陷浓度,促进了氧化膜中Al203的形成以及提高了氧化膜的黏附性。与Ti-6Al-4V合金基体相比,Ti-Al-xNb合金化层具有较高的硬度,表现出良好的抗磨损性能。但与Ti-Al合金化层相比,由于Nb添加降低了合金化层的硬度,因此Ti-Al-xNb合金化层的抗磨损性能有所降低。Ti-Al-xSi合金化层主要由Ti-Al金属间化合物和Ti5Si3增强相组成。随着Si添加量提高,Ti-Al金属间化合物由TiAl相演变为TiAl2和TiAl3相。由于Ti5Si3相的高杨氏模量,提高了裂纹扩展的临界应力,因此合金化层中少见宏观裂纹的出现。Ti-Al-xSi合金化层在800℃经1000h氧化后的增重为基体的1/10-1/21,表现出优异的抗高温氧化性能。随着Si添加量的增加,合金化层的氧化增重减小,氧化速率降低。与Ti-Al合金化层相比,Si的添加使合金化层的抗高温氧化性显著提高。当Si的添加量为30wt.%时,合金化层的抗高温氧化性最好,为Ti-Al合金化层的3.4倍。Si添加提高合金化层抗高温氧化性能原因包括:(1)Si的添加使氧化物颗粒明显细化;(2)Si的添加促进了合金化层表面氧化膜中A1203的形成,提高了氧化膜的致密性;(3)Si的添加使合金化层中形成了热稳定性和抗高温氧化性很好的Ti5Si3相;(4)Si的添加促进了抗高温氧化性能优异的TiAl3相的形成。由于Si的添加促进了高硬耐磨Ti5Si3相的形成,因此Ti-Al-xSi合金化层具有很高的硬度,在室温、600℃和800°℃时均表现出优异的抗磨损性能,并且随着Si添加量的提高,合金化层的硬度和抗磨损性能提高。虽然Ti-Al-xSi合金化层的氧化增重低于Ti-Al和Ti-Al-xNb合金化层,但低Si添加量的合金化层表面氧化膜的黏附性较差,在氧化过程中出现了剥落现象。此外,随着Si添加量的提高,合金化层的脆性增加,结晶初期形成的Ti5Si3相对液态熔池中气体的逸出和液体的流动阻碍作用增强,合金化层中微裂纹和孔洞的数量增多。Ti-Al-xNb-ySi合金化层主要由Ti-Al和Ti5Si3金属间化合物组成,由于Ti5Si3相的高杨氏模量和Nb的增塑作用,合金化层中未见明显的裂纹形成,孔洞数量也较少。Ti-Al-xNb-ySi合金化层在800℃氧化1000h后表面氧化膜未见明显的剥落现象,单位面积增重仅为合金基体的1/26-1/57.1,氧化动力学曲线符合抛物线或抛物线-立方规律,表现出极为优异的抗高温氧化性能。提高合金化层中Nb和Si的添加量,特别是Si的添加量,能够显著提高合金化层的抗高温氧化性。当Nb和Si的添加量分别为20wt.%时,合金化层的抗高温氧化性最好,为Ti-Al合金化层的9.3倍。复合添加Nb和Si合金元素对合金化层抗高温氧化性能的改善效果要明显优于单独添加Nb或Si。Nb和Si复合添加提高合金化层抗高温氧化性能的作用机理包括显著促进A1203的形成、显著提高氧化膜的黏附性以及促进抗高温氧化性能优异的Ti5Si3和TiAl3相的形成。Ti-Al-xNb-ySi合金化层的硬度明显高于Ti-6Al-4V合金基体,这主要是和合金化层中Ti-Al金属间化合物和硬质Ti5Si3相的形成有关。与Ti-6Al-4V合金、Ti-Al和Ti-Al-xNb合金化层相比,Ti-Al-xNb-ySi合金化层具有优异的抗磨损性能。随着Si添加量的提高,合金化层中Ti5Si3相的含量随之增加,合金化层的抗磨损性能提高。对比Ti-Al-xSi和Ti-Al-xNb-ySi合金化层,当Si在合金化粉末中相对于Al的添加量相同时,尽管Ti-Al-xNb-ySi合金化层的硬度略低于Ti-Al-xSi合金化层,但复合添加少量的Nb有助于改善合金化层的塑性,从而使Ti-Al-xNb-ySi合金化层具有更好的抗磨损性能。

【学位名称】博士

【学位授予单位】山东大学

【学位授予年度】2017

【导师姓名】陈传忠;于慧君

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