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γ-TiAl合金等离子渗W与W-C复合渗工艺及渗层性能研究

作　者: 郑冬冬
导　师: 徐重
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: γ-TiAl基合金双层辉光等离子表面冶金技术价电子结构耐磨性高温抗氧化性能
分类号: TG156.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 52次
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内容摘要

γ-TiAl基合金具有高的比强度、比弹性模量和良好的高温强度等。因而被认为是新一代高温结构候选材料之一,可广泛应用于航空、航天、军工等工业部门。然而,γ-TiAl合金的耐磨性能和抗高温氧化能力不足限制了其应用范围,成为亟待解决的关键问题。针对上述问题,本文采用双层辉光等离子表面合金化技术,在γ-TiAl合金表面形成渗W合金层及W-C复合渗层。并利用光学显微镜(OM),能谱仪(EDS),X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)分析了合金层的显微组织、化学成分及其相组成,并测试了其弹性模量、显微硬度、高温(500℃)和常温摩擦磨损性能以及三个温度(650℃、750℃和850℃)下的抗高温氧化能力。另外,还用“固体与分子经验电子理论”计算了TiAl基合金中W原子在不同占位比时价电子结构,并分析了W的溶入量的大小对合金性能的影响变化规律。结果表明:在优化工艺条件下,γ-TiAl合金表面合金层的成分由表面向基体内部呈梯度分布,合金层与基体冶金结合。渗W合金层有效厚度大约30μm,渗层主要以TixWx-1合金相为主,而W-C复合渗层主要以W2C和TiC为主。渗W合金层和W-C复合渗层均提高了基体在室温和500℃下的耐磨性能,特别是W-C复合渗层在500℃下提高尤其明显。两种渗层的抗高温氧化性能在不同温度下表现出较大的差异。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-20
  1.1 TiAl 基合金研究概况  13-16
    1.1.1 TiAl 基合金的研究进展  13-15
    1.1.2 TiAl 基合金的应用及存在问题  15-16
  1.2 TiAl 基合金的表面合金化发展概况  16-18
    1.2.1 钛铝合金表面渗碳处理  16
    1.2.2 钛铝合金表面渗氮处理  16-17
    1.2.3 钛铝合金表面渗硼处理  17
    1.2.4 钛铝合金表面激光处理  17-18
    1.2.5 钛铝合金等离子表面合金化  18
  1.3 课题的研究背景及主要研究内容  18-20
    1.3.1 课题的提出  18
    1.3.2 可行性分析  18-19
    1.3.3 课题的研究内容  19-20
第二章表面合金化层的价电子结构分析研究  20-32
  2.1 余氏理论概述  20-23
    2.1.1 四个基本假设  20-22
    2.1.2 键距差法  22-23
  2.2 合金相价电子结构的分析计算过程  23-29
    2.2.1 原子状态杂化表  23-26
    2.2.2 (Ti_(1-x)W_x)Al 晶体结构模型的确定  26-27
    2.2.3 实验键距和等同键数  27-28
    2.2.4 (Ti_(1-x)W_x)Al 相价电子结构的计算  28-29
  2.3 W 溶入量对合金性能的影响  29-31
    2.3.1 W 溶入量大小对合金相稳定性的影响  29-30
    2.3.2 W 溶入量的大小对合金相硬度和塑性的影响  30-31
    2.3.3 W 溶入量大小对合金相强度的影响  31
  2.4 本章小结  31-32
第三章 γ-TiAl 基合金表面渗W 和W-C 复合渗层制备工艺  32-53
  3.1 试验原理与方法  32-33
    3.1.1 双层辉光等离子渗金属原理  32-33
    3.1.2 实验材料和工装布置  33
  3.2 主要工艺参数及其作用规律  33-36
    3.2.1 源极电压和工件电压  33-34
    3.2.2 极间距  34
    3.2.3 工作气压  34-35
    3.2.4 保温时间和温度  35-36
  3.3 工艺温度对渗W 合金层的影响  36-37
  3.4 工艺过程中炉内温度场分析  37-52
    3.4.1 CCD 技术测温原理  38-39
    3.4.2 CCD 测温系统和试验方法  39-40
    3.4.3 温度场测量结果与分析  40-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章等离子表面合金层组织结构及力学性能的研究  53-60
  4.1 合金层的微观形貌分析  53-55
    4.1.1 等离子渗W 合金层的组织结构  53-54
    4.1.2 等离子W-C 复合渗层的组织结构  54-55
  4.2 合金层的相结构分析  55-56
    4.2.1 等离子渗W 合金层的相结构  55-56
    4.2.2 等离子W-C 复合渗层的相结构  56
  4.3 合金层的显微硬度分析  56-57
    4.3.1 等离子渗W 合金层的显微硬度  56-57
    4.3.2 等离子W-C 复合渗层的显微硬度  57
  4.4 合金层的纳米压入分析  57-59
  4.5 本章小结  59-60
第五章等离子表面合金层的摩擦磨损性能研究  60-72
  5.1 试验设备及材料  60-62
    5.1.1 试验原理与设备  60-61
    5.1.2 实验材料与参数  61
    5.1.3 摩擦磨损性能测试与表征  61-62
  5.2 20℃下渗W 和W-C 复合渗改性层的摩擦磨损性能  62-67
    5.2.1 摩擦系数  62-63
    5.2.2 磨痕形貌  63-64
    5.2.3 磨损量  64-67
  5.3 500℃条件下渗W 和W-C 复合渗改性层的摩擦磨损性能  67-71
    5.3.1 摩擦系数  67-68
    5.3.2 磨痕形貌  68-69
    5.3.3 磨损量  69-71
  5.4 本章小结  71-72
第六章等离子表面合金层的高温抗氧化性能研究  72-83
  6.1 高温氧化试验方法  72
  6.2 650℃高温氧化试验结果  72-75
    6.2.1 氧化膜表面形貌  72-74
    6.2.2 表面氧化产物分析  74-75
    6.2.3 氧化动力学曲线  75
  6.3 750℃高温氧化试验结果  75-79
    6.3.1 氧化膜表面形貌  75-77
    6.3.2 表面氧化产物分析  77-78
    6.3.3 氧化动力学曲线  78-79
  6.4 850℃高温氧化试验结果  79-82
    6.4.1 氧化膜表面形貌  79-80
    6.4.2 表面氧化产物分析  80-81
    6.4.3 氧化动力学曲线  81-82
  6.5 本章小结  82-83
第七章结论与展望  83-85
参考文献  85-90
致谢  90-91
在学期间的研究成果及发表的学术论文  91

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