火电厂用钛合金的表面改性及其表面失效特性研究

发布时间：2018-03-18 19:08

  本文选题：钛合金　切入点：火电厂　出处：《华北电力大学(北京)》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于国防与民用领域。随着火电机组向高参数、大容量发展,对钛合金的需求日益增长。但由于钛合金存在摩擦系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点,制约了其在火电厂的应用范围。在保持钛合金原有优异性能的条件下,表面改性是从提高钛合金耐磨耐蚀性能的有效途径之一。本文结合电力行业用钛合金材料的发展需求,分析了火电厂用钛合金的失效模式及机理。通过对钛合金水蚀失效机理分析表明,600MW超临界汽轮机末级叶片出水边水滴的相对入射速度达381.7m/s,在此速度下,水滴撞击产生的应力波在激波脱体前对钛合金表面的最大影响深度为76.761μm,只有当钛合金表面改性层的厚度要大于此距离才能起到有效的防护作用；材料的密度与弹性模量对材料受到的撞击压力影响较小,其影响可以忽略。为提高TC4及TA2钛合金的耐水蚀性及耐蚀性,进行了微束等离子表面重熔改性实验研究。重点研究了熔池的不同冷却工况对钛合金表面重熔层厚度、显微组织及硬度等性能的影响,得到最佳工艺参数；对表面重熔层的显微组织、显微硬度进行了分析,发现重熔层组织呈快速凝固特征,其中TC4钛合金在循水冷工况下重熔后的最高硬度为456HV0.3,空冷工况下硬度最高达到304HV0.3, TA2钛合金水冷工况下重熔两遍后最高硬度为490HVo.3,水冷工况下重熔一遍后为450HVo.3,空冷工况下重熔一遍为420HV0.3。组织细化及硬度的提高可提高材料的耐水蚀性,同时研究表明形成的重熔层有效提高了钛合金的耐海水腐蚀性能,较TC4钛合金的腐蚀速度为0.01g/m2·h, TC4钛合金经微束等离子空冷重熔降低到0.005g/m2.h,而经微束等离子水冷重熔改性处理后为0.0002g/m2·h。TA2腐蚀速度由0.03g/m2.h,经微束等离子改性后,水冷工况重熔一遍腐蚀速度为0.0006g/m2-h；水冷工况重熔两遍只比水冷重熔一遍降低一半0.0003g/m2-h,这是由于两次重熔能量的输入使得重熔层表面有微裂纹,因而耐腐蚀性提高不大。空冷重熔为0.001g/m2.h比基材提高了一个数量级。由此可见微束等离子重熔改性层的电化学耐蚀性能得到明显改善。水冷工况下耐蚀性能优于空冷工况。为提高钛合金的耐磨性能以及耐水蚀性能,利用激光熔覆技术进行了在钛合金表面制备TiC/Ti、B4C/Ti和SiC/Ti等陶瓷颗粒增强耐磨熔覆层的实验研究。结果表明,由活性碳与基体Ti反应合成的TiC/Ti熔覆层晶粒细小(2μm),其硬度最高约为2900 HVo.5；由B4C与基体Ti反应生成了由主要由TiC+TiB2增强的熔覆层,其硬度为1600 HVo.5；由SiC与基体Ti反应生成了主要由TiC+Ti5Si3增强的熔覆层,其硬度为1100 HV0.5。湿沙磨损实验表明,三种熔覆层耐磨性显著高于基体TC4钛合金,其中TiC/Ti熔覆层耐磨性最强,为TC4钛合金基体的12倍；SiC颗粒增强熔覆层及B4C颗粒增强熔覆层耐磨损性能约是TC4钛合金基体的5倍左右,其中B4C颗粒增强熔覆层比SiC颗粒增强熔覆层耐性能略好。利用激光熔覆技术进行了在钛合金表面制备NiCr-75%Cr2C3、MoS2/Ti熔覆层以及Ta熔覆层的实验研究。能谱分析表明,NiCr-75%Cr2C3熔覆层与基体的为冶金结合；对NiCr-75%Cr2C3熔覆层进行100℃水淬的循环热震实验,结果表明,经历300次热震后,熔覆层表面裂纹扩展但未脱落。熔覆层经过热震实验后,其硬度有所提高；热震后晶粒细化是引起硬度增加的原因。对NiCr-75%Cr2C3熔覆层进行了耐湿沙橡胶轮磨损及高温冲蚀磨损性实验,结果表明,熔覆层比基体的抗磨粒磨损及高温固粒冲蚀都能有大幅提高,比基体提高约为9倍。激光熔覆法制备的MoS2/Ti熔覆层的表面平均硬度为1200 HV0.3,其摩擦系数为0.261,而TC4钛合金的摩擦系数为0.623。Ta熔覆层主要以p-Ta相构成；其单层熔覆层显微硬度值为680HVo.3,多层熔覆层为640HV0.3; TC4基材在0.5M的硫酸中腐蚀速度为0.01 g/m2·h,Ta单层熔覆层及多层熔覆层的腐蚀速度分别为：0.0001g/m2·h及0.001g/m2·h,由此可见单层钽熔覆层的耐硫酸腐蚀性能更好。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM621

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本文编号：1630910