γ-TiAl合金表面等离子Ta-W合金化及其抗高温氧化性能研究
发布时间：2021-11-21 16:13
γ-TiAl合金由于具有低密度、高比强度、高温强度、抗蠕变性等特点,被认为是最具应用价值和潜力的新型材料,人们希望它可以替代镍基高温合金来减轻航空发动机的重量。但γ-TiAl合金在750℃以上抗高温氧化能力不足的缺点限制了其应用。针对此问题,本课题采用双层辉光等离子合金化技术在γ-TiAl合金表面制备Ta-W合金层,通过在800℃和900℃下进行恒温氧化试验对比分析γ-TiA基体与Ta-W合金层的氧化机制,并通过第一性原理研究氧吸附情况来进一步探索氧化机理。通过正交试验探索最佳合金化工艺参数,得到表面平整、结构致密,晶粒细小,无明显缺陷,且与基体结合良好的Ta-W合金层。改性层总厚度约为25μm,其中沉积层约为15μm,扩散层约为10μm,与基体结合力为71N。XRD物相分析表明,合金层表面形成单一的体心立方结构,W元素固溶在Ta中,起到了固溶强化的作用。γ-TiAl基体和Ta-W合金层的显微硬度平均值分别为348.3HV0.1和1021.3HV0.1,合金层显微硬度约为基体的2.93倍。纳米压痕测试结果发现Ta-W合金层具有较高的纳米硬度和...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ti-Al相图
O 与 Ti 在高温环境下优先生成 TiO，进一步氧化后生成更为稳定的 TiO2。在氧化初期，Ti 的氧化物和 Al 的氧化物一般是同时生成的，然而由于 Al 元素在 TiO2中有较大的固溶度，使得 Al 可以从基体扩散到 TiO2中。此外，大量 TiO2氧化膜的形成导致氧化膜与基体之间出现贫 Ti 过渡区。贫 Ti 区边缘由于含 Ti 量较低，出现大量克肯达耳空隙。由 Ti-O相图可知，基体 -Ti 相中 O 的固溶度为 14.5%~15.5%。随着氧化的进行，O 元素不断通过氧化膜向基体内扩散并固溶。总而言之，金属氧化的本质是介质与合金界面物质传输的过程，其中包含 Al 向基体表面的扩散、Al 原子替换掉 TiO2中的 Ti 原子、Ti 的向外扩散以及氧原子向基体内部的扩散现象[28, 33-34]。1.2.2 TiAl 基合金氧化膜结构实际上，氧化膜结构与合金的抗氧化性有着密不可分的关系，为了进一步探究高温环境中 TiAl 基合金氧化过程，研究人员对该合金氧化膜结构组成做出了大量的研究。统一观点认为，钛合金中的 Al 的成分比增加会降低氧化膜的厚度，改善抗氧化能力，并改变氧化区成分、结构的组成。但由于 TiO2具有高活度，难以形成连续致密的 Al2O3保护膜。在相同条件下氧化时，不同 Al 含量的钛合金的氧化膜成分及结构有一定的差异，如图 1.2 所示。
γ-TiAl 合金表面等离子 Ta-W 合金化及其抗高温氧化性能研究基体金属形成固溶体或金属间化合物，由金属固溶度理论可知，影响固溶体溶解度的主要因素有晶体结构，原子尺寸，化学亲和力及原子价因素[76]。W 元素是 VIB 族元素，Ta 元素是 VB 族元素，两者在元素周期表中位于相邻的位置，而且都属于体心立方晶体结构。W 是稀有金属，其高熔点、高硬度、化学性质稳定等特点使得其成为材料领域很重要合金化元素。在 γ-TiAl 合金中，W 元素同样具有很高的合金化能力，同时还能使基体的组织稳定性保持在良好范围内，可以与基体中的 Ti、Al 固溶形成强化相如图 1.3 所示，能够很有效的强化合金性能，使得高温强度有很大的提升。Ta 具有高硬度、高韧性、高熔点的特质，其熔点高达 2996℃，同时还具有非常小的热膨胀系数[77]。Ta 在 γ-TiAl 基体中可以与 Al 形成 AlTa 相稳定相，与 Ti 固溶形成强化相，在不降低塑性的同时，能够提高基体的硬度与耐热性，同时还具有良好的耐蚀性，是理想的表面涂层材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Zr和（或）Mn替位掺杂γ-TiAl基合金的延性与电子性质[J]. 宋庆功,杨宝宝,赵俊普,秦国顺,郭艳蕊,胡雪兰. 中国有色金属学报. 2016(11)
[2]TiAl基合金高温抗氧化研究进展[J]. 汤守巧,曲寿江,冯艾寒,冯聪,崔扣彪,沈军. 稀有金属. 2017(01)
[3]钛合金表面Ta-W涂层的制备及循环氧化行为[J]. 彭小敏,夏长清,吴安如,董丽君,李东锋,谭季秋. 中国有色金属学报. 2015(06)
[4]航空发动机用耐高温材料的研究进展[J]. 张鹏,朱强,秦鹤勇,沈文涛. 材料导报. 2014(11)
[5]5d过渡金属掺杂γ-TiAl合金的第一性原理研究[J]. 刘显坤,郑洲,刘聪,兰晓华,尹伟. 材料导报. 2012(24)
[6]钛铝合金高温氧化机理电子理论研究[J]. 刘贵立,李勇. 物理学报. 2012(17)
[7]航空结构用新型高性能钛合金材料技术研究与发展[J]. 朱知寿. 航空科学技术. 2012(01)
[8]多元合金化对γ-TiAl（111）表面氧吸附影响机理的第一原理研究[J]. 李丹,张国英,梁婷,褚冉,朱圣龙. 沈阳师范大学学报(自然科学版). 2011(02)
[9]双辉等离子表面Ni-Cr合金渗层的组织及耐蚀性能研究[J]. 黄俊,吴红艳,毕强,张平则,姜云东. 材料工程. 2010(11)
[10]元素Ta对Ti-60A钛合金抗氧化性能的影响[J]. 朱绍祥,王清江,刘建荣,刘羽寅,杨锐. 中国有色金属学报. 2010(S1)
硕士论文
[1]多元合金化对钛铝合金高温抗氧化性能的研究[D]. 李丹.沈阳师范大学 2011
[2]钽钨合金箔材组织结构及性能的研究[D]. 金鹏.中南大学 2009
本文编号：3509822
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ti-Al相图
O 与 Ti 在高温环境下优先生成 TiO，进一步氧化后生成更为稳定的 TiO2。在氧化初期，Ti 的氧化物和 Al 的氧化物一般是同时生成的，然而由于 Al 元素在 TiO2中有较大的固溶度，使得 Al 可以从基体扩散到 TiO2中。此外，大量 TiO2氧化膜的形成导致氧化膜与基体之间出现贫 Ti 过渡区。贫 Ti 区边缘由于含 Ti 量较低，出现大量克肯达耳空隙。由 Ti-O相图可知，基体 -Ti 相中 O 的固溶度为 14.5%~15.5%。随着氧化的进行，O 元素不断通过氧化膜向基体内扩散并固溶。总而言之，金属氧化的本质是介质与合金界面物质传输的过程，其中包含 Al 向基体表面的扩散、Al 原子替换掉 TiO2中的 Ti 原子、Ti 的向外扩散以及氧原子向基体内部的扩散现象[28, 33-34]。1.2.2 TiAl 基合金氧化膜结构实际上，氧化膜结构与合金的抗氧化性有着密不可分的关系，为了进一步探究高温环境中 TiAl 基合金氧化过程，研究人员对该合金氧化膜结构组成做出了大量的研究。统一观点认为，钛合金中的 Al 的成分比增加会降低氧化膜的厚度，改善抗氧化能力，并改变氧化区成分、结构的组成。但由于 TiO2具有高活度，难以形成连续致密的 Al2O3保护膜。在相同条件下氧化时，不同 Al 含量的钛合金的氧化膜成分及结构有一定的差异，如图 1.2 所示。
γ-TiAl 合金表面等离子 Ta-W 合金化及其抗高温氧化性能研究基体金属形成固溶体或金属间化合物，由金属固溶度理论可知，影响固溶体溶解度的主要因素有晶体结构，原子尺寸，化学亲和力及原子价因素[76]。W 元素是 VIB 族元素，Ta 元素是 VB 族元素，两者在元素周期表中位于相邻的位置，而且都属于体心立方晶体结构。W 是稀有金属，其高熔点、高硬度、化学性质稳定等特点使得其成为材料领域很重要合金化元素。在 γ-TiAl 合金中，W 元素同样具有很高的合金化能力，同时还能使基体的组织稳定性保持在良好范围内，可以与基体中的 Ti、Al 固溶形成强化相如图 1.3 所示，能够很有效的强化合金性能，使得高温强度有很大的提升。Ta 具有高硬度、高韧性、高熔点的特质，其熔点高达 2996℃，同时还具有非常小的热膨胀系数[77]。Ta 在 γ-TiAl 基体中可以与 Al 形成 AlTa 相稳定相，与 Ti 固溶形成强化相，在不降低塑性的同时，能够提高基体的硬度与耐热性，同时还具有良好的耐蚀性，是理想的表面涂层材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Zr和（或）Mn替位掺杂γ-TiAl基合金的延性与电子性质[J]. 宋庆功,杨宝宝,赵俊普,秦国顺,郭艳蕊,胡雪兰. 中国有色金属学报. 2016(11)
[2]TiAl基合金高温抗氧化研究进展[J]. 汤守巧,曲寿江,冯艾寒,冯聪,崔扣彪,沈军. 稀有金属. 2017(01)
[3]钛合金表面Ta-W涂层的制备及循环氧化行为[J]. 彭小敏,夏长清,吴安如,董丽君,李东锋,谭季秋. 中国有色金属学报. 2015(06)
[4]航空发动机用耐高温材料的研究进展[J]. 张鹏,朱强,秦鹤勇,沈文涛. 材料导报. 2014(11)
[5]5d过渡金属掺杂γ-TiAl合金的第一性原理研究[J]. 刘显坤,郑洲,刘聪,兰晓华,尹伟. 材料导报. 2012(24)
[6]钛铝合金高温氧化机理电子理论研究[J]. 刘贵立,李勇. 物理学报. 2012(17)
[7]航空结构用新型高性能钛合金材料技术研究与发展[J]. 朱知寿. 航空科学技术. 2012(01)
[8]多元合金化对γ-TiAl（111）表面氧吸附影响机理的第一原理研究[J]. 李丹,张国英,梁婷,褚冉,朱圣龙. 沈阳师范大学学报(自然科学版). 2011(02)
[9]双辉等离子表面Ni-Cr合金渗层的组织及耐蚀性能研究[J]. 黄俊,吴红艳,毕强,张平则,姜云东. 材料工程. 2010(11)
[10]元素Ta对Ti-60A钛合金抗氧化性能的影响[J]. 朱绍祥,王清江,刘建荣,刘羽寅,杨锐. 中国有色金属学报. 2010(S1)
硕士论文
[1]多元合金化对钛铝合金高温抗氧化性能的研究[D]. 李丹.沈阳师范大学 2011
[2]钽钨合金箔材组织结构及性能的研究[D]. 金鹏.中南大学 2009
本文编号：3509822
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/3509822.html
