TA2和TC4合金空蝕行為及抗空蝕涂層的研究.pdf

1、鈦及鈦合金在工程應(yīng)用中，如用作高速螺旋槳、高速潛艇、水翼、水泵、閥門、水輪機(jī)過流部件、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等設(shè)備、器件時(shí)，均有空蝕現(xiàn)象發(fā)生。目前，涉及鈦及鈦合金空蝕過程和失效機(jī)理的研究較少，且有關(guān)提高鈦合金抗空蝕性能的工藝方法研究較少。本課題選取了廣泛應(yīng)用的工業(yè)純鈦（TA2）和Ti-6Al-4V（TC4）合金，利用超聲振動(dòng)空蝕設(shè)備進(jìn)行了空蝕性能測試，探討了介質(zhì)溫度、含沙量及材料表面粗糙度和組織結(jié)構(gòu)對空蝕行為的影響，并利用電化學(xué)測試分析了空蝕過程中

2、的腐蝕行為，探討了空蝕-腐蝕交互作用機(jī)制。為了提高TA2和TC4合金抗空蝕性能，利用了三種表面處理工藝在TA2和TC4合金表面制備了硬質(zhì)涂層，對涂層試樣進(jìn)行了空蝕實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合表面形貌、顯微組織和硬度研究了表面處理工藝對涂層空蝕行為的影響，確定了其空蝕破壞過程的行為機(jī)制。
　　TA2和TC4合金在去離子水中空蝕實(shí)驗(yàn)表明，TC4合金因具有細(xì)小的晶粒、高的硬度，抗空蝕性能優(yōu)于純鈦TA2。在3.5wt.％ NaCl溶液中，因NaCl溶液腐

3、蝕因素的影響，TA2和TC4合金空蝕失重量比去離子水中有所增加，抗空蝕性能下降。腐蝕因素引起的空蝕-腐蝕交互作用使TA2和TC4合金失重量分別增加1.61和1.42mg，約占總失重量的12.8%和13.5%。
　　熱處理后TC4合金空蝕實(shí)驗(yàn)表明，TC4合金顯微組織形態(tài)對其空蝕行為有較大影響。1020℃熱處理獲得的魏氏組織片狀α增加裂紋擴(kuò)展路徑、降低裂紋尖端應(yīng)力場，使其具有較好抗空蝕性能。950℃下的雙態(tài)組織初生α加工硬化能力強(qiáng)，且

4、針狀β轉(zhuǎn)增加裂紋擴(kuò)展難度，使其也有較好抗空蝕性能。850℃下的等軸組織β轉(zhuǎn)含量少，強(qiáng)化效果小，使其抗空蝕性能相對魏氏和雙態(tài)組織較低。
　　采用滲氮處理在TA2和TC4合金表面制得了均勻、致密的硬質(zhì)表面氮化層和滲氮層。空蝕實(shí)驗(yàn)表明，滲氮處理顯著地改善了TA2和TC4合金的抗空蝕性能（最大提高約為7倍），且工藝參數(shù)對空蝕行為影響較大。較高溫度和較長時(shí)間處理的TA2試樣抗空蝕性能較差，氮化層中氧化物、裂紋、微孔的增多是導(dǎo)致其抗空蝕性能下

5、降的主要原因。TC4合金在較低溫度和較短時(shí)間處理?xiàng)l件下抗空蝕性能較差，主要因硬度較低的β-Ti、α/β晶界和沉淀物加速了空蝕破壞。TA2的滲氮層因氮原子固溶產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力場，阻滯裂紋擴(kuò)展而改善抗空蝕性能。
　　包埋滲碳處理和碳氮共滲處理在TA2和TC4合金表面分別制得了TiC和Ti(C,N)涂層?？瘴g實(shí)驗(yàn)表明，硬質(zhì)的TiC和Ti(C,N)涂層具有均勻、致密的細(xì)晶結(jié)構(gòu)，增加了裂紋擴(kuò)展的路徑和減小應(yīng)力集中從而顯著地改善了TA2和TC4

6、合金抗空蝕性能（約為未處理試樣的3~10倍）。處理工藝對TA2和TC4合金空蝕行為有較大影響：高溫度和長時(shí)間處理會降低材料抗空蝕性能。主要因?yàn)椋S著處理溫度升高和時(shí)間延長，TiC和Ti(C,N)晶粒長大或表面氧化物含量增加，削弱了涂層的綜合性能。溫度和時(shí)間過低也使涂層太薄，而降低其抗空蝕的持續(xù)力。因此，滲碳處理改善TA2和TC4合金抗空蝕性能的最佳工藝為1000℃，90min；碳氮共滲處理在最佳工藝則為1100℃，60min。涂層空蝕破