双辉制备Fe-Al-Nb合金涂层及其高温氧化性能研究

发布时间：2017-08-21 19:13

  本文关键词：双辉制备Fe-Al-Nb合金涂层及其高温氧化性能研究

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【摘要】：Fe-Al金属间化合物比强度高、耐蚀性优异,但其加工困难、韧性差且高温下的综合性能不能满足苛刻的服役环境,严重制约了其工业化应用。研究表明,Nb是提高Fe-Al合金组织稳定性、强韧性和耐高温腐蚀性能的重要合金元素,因此,研发制备综合性能优异的Fe-Al-Nb合金层,解决涂层在复杂高温工况条件下开裂甚至剥落的难题,将为Fe-Al金属间化合物的实用化进程提供新的技术路径。本文通过热浸铝工艺在45钢表面制备出Fe-Al合金层,然后利用双辉等离子表面改性技术在Fe-Al合金层表面渗Nb,制备出Fe-Al-Nb合金层,探索出理想工艺参数为:源极电压800V~900V、工件电压350V~450V、试验温度900℃~1000℃、工作气压40Pa、极间距20mm和保温时间4h。其次,采用SEM、EDS和XRD等检测手段对合金层的微观形貌、成分分布和组织结构进行表征。通过显微硬度检测、划痕试验、有限元分析纳米压痕过程以及恒温氧化试验对合金层的力学性能和抗高温氧化性能进行了深入地研究和分析。结果表明,Fe-Al-Nb合金层表面呈颗粒状分布,均匀致密,与基体结合良好;合金元素沿截面呈梯度分布,主要物相包括Nb、Al Nb2、Fe7Nb6、Fe2Al5和Fe3Al;Fe-Al-Nb合金层表面显微硬度900HV0.1,比Fe-Al合金层高100HV0.1,是基体的4.5倍;纳米压痕测试得到Fe-Al-Nb合金层的弹性模量为316.2GPa,比Fe-Al合金层大,显示出更强的抵抗塑性变形能力;采用位移控制加载方式模拟压痕过程,得到应力应变分布图及载荷-位移曲线,与实验曲线吻合,采用力加载控制方式模拟压痕过程,分析界面层上切应力,定性判断合金层与基体的结合性能,与划痕实验相符;Fe-Al-Nb合金层氧化时,外层Nb主要形成Nb2O5和Fe Nb O4,随着氧化温度的升高和氧化时间的延长,Nb2O5会开裂剥落,抗氧化性降低,Fe Nb O4逐渐增多,具有一定的抗氧化性,同时合金层与外层氧化膜之间还会形成Fe Al2O4和Al2O3的氧化物,其结构稳定,连续致密,能有效阻止氧的扩散,这种多层氧化膜结构具有良好的抗氧化性。
【关键词】：Fe-Al-Nb合金层 双辉等离子表面技术 纳米压痕 有限元分析 高温氧化
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.445
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 金属间化合物的概述12-13
• 1.1.1 金属间化合物的性能特点12
• 1.1.2 金属间化合物的发展现状12-13
• 1.2 Fe-Al金属间化合物的研究现状13-18
• 1.2.1 Fe-Al金属间化合物的晶体结构13-15
• 1.2.2 Fe-Al金属间化合物的性能特点15-17
• 1.2.3 Fe-Al合金存在的问题17
• 1.2.4 采用表面技术制备Fe-Al合金层17-18
• 1.2.5 合金化对Fe-Al合金层的作用18
• 1.3 Fe-Al-Nb合金层的制备18-21
• 1.3.1 热浸镀铝技术制备Fe-Al合金层18-20
• 1.3.2 双辉渗Nb制备Fe-Al-Nb合金层20-21
• 1.4 本课题的研究目的和研究内容21-23
• 1.4.1 研究目的22
• 1.4.2 研究内容22-23
• 第二章 Fe-Al-Nb合金涂层的制备23-34
• 2.1 研究方案总体设计23
• 2.2 试验材料与设备23-25
• 2.2.1 原材料的准备23-24
• 2.2.2 试验设备24-25
• 2.3 试验过程25-26
• 2.3.1 热浸镀制备Fe-Al合金层25
• 2.3.2 双辉渗Nb制备Fe-Al-Nb合金层25-26
• 2.4 合金层检测方法与仪器26-27
• 2.4.1 形貌与成分分析26
• 2.4.2 物相分析26
• 2.4.3 硬度检测26-27
• 2.4.4 划痕试验27
• 2.5 双辉渗Nb制备Fe-Al-Nb合金层的工艺探索27-34
• 2.5.1 工作气压对渗Nb层的影响28-30
• 2.5.2 极间距对渗Nb层的影响30-31
• 2.5.3 保温时间对渗Nb层的影响31-33
• 2.5.4 工艺参数优化结果33-34
• 第三章 Fe-Al-Nb合金层的组织结构及力学性能分析34-40
• 3.1 合金层的微观组织形貌34
• 3.2 合金层元素分布34-36
• 3.3 合金层表面物相组成36-37
• 3.4 合金层显微硬度测试37-38
• 3.5 合金层结合力测试38-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 有限元分析模拟纳米压痕过程40-53
• 4.1 纳米压痕试验40-44
• 4.1.1 试验设备与原理40-42
• 4.1.2 试验过程42
• 4.1.3 试验结果与分析42-44
• 4.2 纳米压痕实验的有限元模拟44-47
• 4.2.1 几何模型的建立44-45
• 4.2.2 材料属性设置45
• 4.2.3 划分网格45-46
• 4.2.4 创建接触对46
• 4.2.5 设置边界条件46-47
• 4.2.6 加载求解47
• 4.3 有限元模拟结果分析47-52
• 4.3.1 采用位移加载方式模拟47-50
• 4.3.2 采用载荷加载方式模拟50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第五章 Fe-Al-Nb合金层的高温氧化行为研究53-65
• 5.1 金属的高温氧化53-57
• 5.1.1 金属高温氧化的定义与过程53-54
• 5.1.2 金属高温氧化的热力学分析54-55
• 5.1.3 金属高温氧化的动力学分析55-57
• 5.2 试验方案与设备57-58
• 5.3 高温氧化行为研究58-64
• 5.3.1 600℃合金层的恒温氧化行为58-60
• 5.3.2 700℃合金层的恒温氧化行为60-62
• 5.3.3 800℃合金层的恒温氧化行为62-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 结论与展望65-67
• 6.1 结论65-66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-72
• 致谢72-73
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 韩石磊;李华玲;王树茂;蒋利军;刘晓鹏;李岩;;温度对热浸铝及后续扩散中镀层的影响[J];金属功能材料;2010年01期

2 高峰;郭志猛;林涛;;自蔓延熔铸法制备铁铝金属间化合物[J];铸造技术;2008年03期

3 高原;徐晋勇;高清;安晋平;徐重;;双层辉光离子渗金属技术特点[J];中国工程科学;2008年02期

4 张伟;范志康;郭献军;文九巴;张金民;;稀土对热浸镀铝钢Al_2O_3／渗铝层界面空洞生长的影响[J];航空材料学报;2006年02期

5 高原;徐晋勇;高清;成均;徐重;;双层辉光离子渗金属技术特点分析[J];热加工工艺;2006年03期

6 张伟,文九巴,龙永强,范志康;高温下渗铝层次外层/过渡层界面空洞带的形成过程[J];材料热处理学报;2005年04期

7 文九巴,胡鹏飞,李晓源;稀土铈对热浸渗铝钢耐高温氧化性能的影响[J];热处理;2005年01期

8 徐滨士,朱子新,刘燕,马世宁,张伟;高速电弧喷涂Fe-Al金属间化合物涂层[J];中国有色金属学报;2004年S1期

9 张来启,陈光南,孙祖庆,杨王s，

本文编号：714620