多尺度等离子渗镀抗冲蚀膜层性能及界面强化机制研究

发布时间：2020-07-16 04:40

【摘要】：飞机发动机压气机在高速旋转压缩空气过程中,空气中的沙尘颗粒会对叶片产生高速冲刷,在叶片的表面产生固体颗粒冲蚀,损害压气机叶片的结构完整性。本论文的主要目的就是研究在飞机发动机压气机叶片表面通过多尺度复合功能涂层材料提高其抗固体颗粒冲蚀性能,研究多尺度复合功能涂层在制备和性能评价方法,揭示多尺度复合功能涂层界面强化的机制。本文选择发动机压气机叶片双相钛合金TC4为基体材料,以等离子扩渗复合物理气相沉积技术为基础,设计并制备出均尺度多层复合Ti/TiN、变尺度多层复合Ti/TiN以及等离子渗C复合多层Ti/Ti N抗冲蚀膜层。通过对影响多尺度等离子渗镀复合膜层性能的调制比、调制周期、复合尺度等参数的研究,揭示它们对膜层性能的影响规律。利用划痕法表征了基体渗碳、复合结构、界面离子注入、真空退火后处理等对复合膜层界面失效方式的宏观影响,总结了尺度多层复合Ti/TiN界面强化机制,提出具有离子扩渗与等离子沉积梯度复合、层状增韧的抗全攻角固体颗粒冲蚀新型复合功能膜层的设计与制备工艺方法,验证了复合膜层的抗冲蚀性能,取得的主要研究成果如下:(1)研究发现,变尺度复合结构对于同步提升Ti/TiN膜层硬度与结合强度是不利的,通过设计的韧(Ti)/脆(TiN)重复叠加的均尺度多层结构协同提高了复合膜层的强韧性。在最佳调制比0.2的前提下,调整周期的增加能够使得Ti/TiN复合膜层的厚度可超过100μm,具备较高的膜基结合强度(70N)及表面显微硬度(2750HV)(48周期)。与单层TiN相比,断裂韧性值提高了近5倍,摩擦系数低至0.25左右,磨损率降低了近十倍;(2)辉光离子渗碳提高了钛合金基体的表面硬度,为多层复合TiN膜层提供了一个硬度呈梯度变化的预强化层,增加了膜基体系的刚性。基体预渗碳后,表面单层TiN的硬度由1000HV提高到2000HV,界面结合强度由25N提高到70N。相应的,基体预渗碳复合多层复合Ti/TiN的表面硬度最高可达2870HV,在不降低摩擦性能的条件下,形成的复合渗镀层膜基结合强度提高到近100N。(3)有限元模拟结果表明,不同尺度复合结构膜层内部存在不同形态的应力梯度,缓解膜基界面的应力集中;对TC4钛合金材料表面受固体粒子冲蚀下的冲击应力模拟表明,小角度冲蚀的最大瞬时应力和稳定后的应力为大角度冲蚀的60%左右,但小角度冲蚀造成的损伤深度大于大角度冲蚀时的损伤深度,良好的抗全攻角冲蚀性能需要硬质膜层具备优良的强韧性匹配;(4)复合膜层的结构影响着界面失效方式,其失效方式呈现出脆性或韧性的断裂特征。在划痕载荷作用下,单层TiN膜层的失效是由膜基界面较高残余应力诱发的裂纹沿界面快速失稳剥落;多层复合膜层增加的Ti调制韧性界面,有助于裂纹尖端的钝化及偏转,失效呈现出显微裂纹的抑制性扩展、偏转及局部膜层的渐出式层状剥落开裂特征;变尺度复合多层结构膜层的失效方式根据膜层内部形成的应力梯度方向而呈现出界面脆性脱落或渐进式界面开裂机制。基体预渗碳使得界面沉积热应力得到缓解,较高的表面硬度及膜基结合性能延长了裂纹萌生孕育期,但其失效机制仍旧是以更高载荷作用下的膜层表面接触区裂纹萌生及沿Ti/TiN调制层界面的失稳扩展为主;(5)界面强化研究表明,基体表面预渗碳强化提高了基体与复合膜层在硬度、热膨胀系数、残余应力等物理参数的匹配性,实现了膜基界面强度的提高;离子注入借助于梯度复合界面的形成以及界面应力水平的降低实现界面的强化;真空退火通过诱发元素互扩散导致界面弱化并有效降低膜层体系的整体内应力,从而强化界面;(6)复合膜层结构使得其在被冲蚀过程中呈现出不同的界面失效机制。在单层TiN膜层中,由于存在较高的界面应力,膜基界面成为冲蚀显微裂纹扩展的主要通道;软硬交替的多层复合结构具有较好的强韧性匹配,膜层抵抗脆性裂纹扩展的能力得到加强,抗冲蚀性能尤其是大角度粒子冲蚀性能显著得到增强;基体表面预渗碳能够进一步提高复合渗镀层体系的刚性,表现出了较好的抗小角度粒子冲蚀能力;真空退火使得复合渗镀层的整体性及强韧性匹配得到优化,较高的表面硬度和良好的韧性匹配使得渗碳复合6层Ti/Ti N膜层满足了抗全攻角粒子冲蚀的需要,是TC4合金表面理想的抗冲蚀膜层。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4;V233
【图文】：

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