Ti-,2-AlNb基合金等離子表面合金化及摩擦學(xué)行為的研究.pdf

1、Ti-Al系金屬間化合物具有高的比強度、比模量、良好的抗氧化性及優(yōu)良的高溫強度等，近來已成為國內(nèi)外航空、航天、軍工等工業(yè)部門的熱點材料。然而，Ti-Al金屬間化合物存在著耐磨性不足的問題，限制了其應(yīng)用。因此，提高Ti-Al系金屬間化合物耐磨性能已成為關(guān)鍵的工程問題之一。 本課題針對航空發(fā)動機高溫運動副零部件的耐磨性問題，采用我國獨創(chuàng)且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的雙層輝光等離子表面合金化技術(shù)，在Ti2AlNbO相合金基體表面制備出高硬耐磨的

2、合金層。 本研究首先利用“固體與分子經(jīng)驗電子理論”通過計算分析元素加入到基體時的價電子結(jié)構(gòu)，得出選擇鉻和鎢作為欲滲元素，可能有利于提高Ti2AlNb摩擦性能；而后采用雙層輝光等離子表面合金化技術(shù)，對Ti2AlNb合金進行滲Cr、滲W處理以及后續(xù)等離子滲碳處理的工藝優(yōu)化試驗。利用光學(xué)電鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)和X射線光電子能譜儀(XPS)進行組織成分檢測，對合金滲層

3、分別進行了顯微硬度檢測和納米壓入分析及摩擦學(xué)性能研究。 工藝試驗結(jié)果表明：等離子表面滲鉻層的有效厚度約25 μm，表面Cr元素含量達(dá)到75％，滲層中鉻元素含量呈梯度分布，合金滲層中以Cr2Nb，Al8Cr5/Al9Cr4為主；滲W層的有效厚度為25 μm左右，表面W含量達(dá)55％，W含量沿深度方向呈梯度分布，滲層中以TixW1-x化合物為主；Cr-C共滲層主要含有Cr23C6和Cr2Nb，且有部分單質(zhì)C和Cr；W-C共滲層的組分主

4、要以W2C或W6C2.54為主。 滲Cr、滲W層表面硬度均達(dá)1100 HV0.1以上，共滲層的表面硬度均高達(dá)1650 HV0.1，遠(yuǎn)高于基體的400 HV0.1左右。納米壓入測量結(jié)果表明，各種滲層的彈性模量遠(yuǎn)高于基體。滲鎢層的彈性模量最高在700 Gpa左右，其他三種滲層的彈性模量分布在200 Gpa ~ 500 Gpa之間，而基體約100 Gpa。 摩擦學(xué)試驗表明：雙輝等離子滲Cr、滲W以及后續(xù)滲碳處理均提高了Ti2A

5、lNbO相合金的耐磨性能。Ti2AlNb合金經(jīng)等離子滲Cr處理，室溫摩擦系數(shù)由1.2降低為0.6，高溫摩擦系數(shù)由1.0降低為0.5，經(jīng)過后續(xù)滲碳處理，摩擦系數(shù)均降低到0.2以下；經(jīng)過等離子滲Cr處理，室溫磨損率降低了一個數(shù)量級，高溫磨損率降低了60％，再經(jīng)過后續(xù)滲碳處理，磨損率降低為基體的1/10 ~ 1/25。 經(jīng)滲W處理，室溫摩擦系數(shù)由基體的1.2降低為0.5，高溫摩擦系數(shù)由1.0降低為0.15，但滲W層的摩擦系數(shù)在長時間的

6、摩擦中會逐漸上升，而經(jīng)后續(xù)滲碳處理，高溫摩擦系數(shù)始終維持在0.15左右。Ti2AlNb合金滲W后室溫磨損率降低為基體的1/10，高溫磨損率僅為基體的1/5，經(jīng)過后續(xù)滲碳處理，磨損率比基體降低了2個數(shù)量級。經(jīng)過W、C共滲處理，獲得了最低的高溫摩擦系數(shù)和磨損率。 以上實驗結(jié)果證實了“固體與分子經(jīng)驗電子理論”預(yù)測選擇鉻和鎢作為欲滲元素，有利于提高Ti2AlNb合金的摩擦磨損性能。 最后，研究了雙層輝光等離子滲金屬過程中轟擊濺射