鈦合金加弧輝光滲鍍鋁提高高溫氧化性及耐蝕性開題報告課件

校級科研立項鈦及鈦合金加弧輝光滲鍍鋁抗高溫氧化及耐蝕性能研究

開題報告

項目負責人：戴景杰

所在學院：機電工程學院研究的目的及意義選題的背景研究內(nèi)容內(nèi)容開題報告研究方法及技術(shù)路線進度計劃研究團體預期成果一選題的背景在工程材料實際應用中，損傷多發(fā)生在材料的表面，如材料的疲勞、腐蝕和磨損對材料的表面結(jié)構(gòu)和性能極其敏感，所以材料表面的結(jié)構(gòu)和性能直接影響工程金屬材料的綜合性能指標。

表面工程技術(shù)成為當代世界十大關(guān)鍵技術(shù)之一。十大關(guān)鍵技術(shù)先進制造技術(shù)生物工程技術(shù)海洋工程技術(shù)新能源技術(shù)微電子光電子技術(shù)納米技術(shù)表面工程技術(shù)新材料技術(shù)航空航天技術(shù)信息技術(shù)一選題的背景表面工程基礎理論表面涂覆技術(shù)表面改性技術(shù)表面復合處理技術(shù)表面加工技術(shù)表面分析技術(shù)表面性能檢測表面工程技術(shù)設計表面工程包括一選題的背景表面改性技術(shù)噴丸強化表面熱處理化學熱處理高能束表面改性等離子表面冶金技術(shù)激光表面合金化雙輝滲鍍技術(shù)加弧輝光滲鍍技術(shù)固體、液體、氣體真空滲碳離子滲鍍

氮化

離子注入

一選題的背景一選題的背景比強度最高在高溫和低溫下都能保持高的強度無可匹敵的耐蝕性室溫條件下不與氯氣、稀硫酸、稀鹽酸、硝酸作用，在淡水和海水中有極高的抗蝕性資源豐富（僅次于O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg，列第九位）質(zhì)量輕密度為4.5g/cm3，僅為鋼的60%—空間金屬、未來的鋼鐵Ti一選題的背景鈦合金的主要缺點

硬度低、摩擦系數(shù)高

硬度低、摩擦系數(shù)高、易和其它材料發(fā)生粘著磨損，耐磨性差等?？垢邷匮趸芰Σ钼伜辖鸬目寡趸阅苤饕Q于在服役條件下表面能否形成致密的保護性氧化膜。高溫鈦合金Ti6Al4V中含有6%左右的鋁不足以在表面形成連續(xù)致密的Al2O3氧化膜，氧化時形成由多孔的TiO2為主的氧化膜，抗氧化能力差。

提高鈦合金抗高溫氧化性能常用的措施：①基體合金化：合金元素的加入在一定范圍內(nèi)提高了鈦合金的抗氧化能力，然而由于是整體加入，所加的元素不僅浪費嚴重，且影響了鈦合金原來的一些力學性能。

②表面處理：通過在鈦合金表面形成一層抗氧化涂層，合金的抗氧化能力由涂層來提供，而力學性能由鈦合金基體來完成。因此，一方面大大地減少了抗氧化元素的用量，節(jié)省了資源；另一方面由于涂層的加入只對合金表面的化學成分有所改變，而鈦合金的力學性能基本沒有改變，因而是提高鈦合金抗高溫氧化性能最經(jīng)濟有效的方法。一選題的背景一選題的背景加弧輝光離子滲鍍技術(shù)簡介加弧輝光離子滲鍍技術(shù)原理是在雙層輝光離子滲金屬裝置中引入冷陰極電弧源，在被處理工件周圍設置輔助源極，利用輝光放電空心陰極效應使工件迅速升溫，它既是加熱源又是欲滲元素的輔助供給源。同時在真空容器壁上設置一個或多個金屬陰極電弧靶源,利用真空電弧放電引燃電弧源,不斷地發(fā)射出高能量、高電流密度、高離化率的欲滲金屬離子流，在工件負偏壓的作用下加速到達工件表面，使工件進一步升溫到滲金屬的溫度。依靠擴散和離子轟擊作用快速滲入工件表面層，在工件表面可以形成滲層、鍍層、滲鍍結(jié)合層，也可以合成各種化合物薄膜。加弧輝光離子滲鍍技術(shù)具有下列優(yōu)點：（1）滲速極快，平均值為（300~700）μm/h。（2）工件形狀不受限制，可在爐內(nèi)任意排放。（3）工件可以轉(zhuǎn)動，能實現(xiàn)均勻滲鍍。（4）在金屬零件表面可以合成特殊用途的薄膜（5）滲鍍層成分呈梯度分布、硬度也呈梯度分布，不存在“膜基結(jié)合力”問題（6）合金滲鍍層成分基本可控，成分變動范圍大，這是許多傳統(tǒng)滲金屬方法所難以做到的。（7）無污染，工作條件好，節(jié)約能源。一選題的背景一選題的背景研究現(xiàn)狀（一）加弧輝光離子滲鍍技術(shù)目前已在碳鋼、合金鋼等表面成功地制備出抗蝕耐磨層。1）用加弧輝光離子滲鍍技術(shù)在用A3鋼制作的緊固件螺釘、螺母上進行滲鈦，滲層厚度可達40μm左右，試件進行鹽霧試驗，結(jié)果表明，鹽霧試驗96h無銹斑，240h后有少量的腐蝕，證明抗蝕性能大大提高。2）利用加弧輝光離子滲鍍技術(shù)在高速鋼鉆頭、銑刀等工具表面鍍TiN薄膜進行的工藝性能研究表明，耐蝕、耐磨性能大大提高，切削性能可提高4~6倍，表面金黃色也十分美觀。一選題的背景（二）目前，在鈦及鈦合金表面加弧輝光處理中，有關(guān)提高耐磨及耐蝕性的研究較多。1）對鈦合金Ti6Al4V表面加弧輝光滲鍍Cr-Ni后，表面硬度大幅提高，耐磨性優(yōu)于離子氮化處理，并且具有高的抗含Cl-水溶液腐蝕性能。2）在加弧輝光離子滲鍍技術(shù)中利用高純石墨制成冷陰極電弧石墨靶，對Ti6AI4V鈦合金進行離子無氫滲碳，基材表面形成無氫且無結(jié)合強度問題的含有游離碳和TiC的擴散層，從減摩和抗磨兩方面改善了Ti6AI4V的摩擦學性能，又避免了鈦合金的氫脆問題，其摩擦系數(shù)降為0.08，減小了7倍多，和原材料相比較比磨損率減小了8倍，合金摩擦性能顯著提高。但到目前為止，國內(nèi)外有關(guān)鈦及鈦合金加弧輝光滲鍍鋁提高抗高溫氧化性的研究報道較少。更為重要的是，利用加弧輝光離子滲鍍技術(shù)對鈦合金表面進行滲鍍鋁以提高其抗高溫氧化性，可以擴展鈦合金的高溫應用領(lǐng)域，它的深入研究也必將開拓鈦合金抗高溫氧化的一個新的研究領(lǐng)域。一選題的背景研究的意義通過對金屬鈦表面改性的研究，有助于指導鈦合金設計和延長鈦合金的工程使用壽命，拓展金屬鈦的應用領(lǐng)域，并為鈦及其合金的失效分析、表面納米化和強化提供理論基礎。二研究的目的及意義三研究內(nèi)容（1）加弧輝光離子滲鍍的制備工藝（2）滲鍍層的厚度、成分、結(jié)構(gòu)利用加弧輝光離子滲鍍技術(shù)，在鈦合金Ti6Al4V表面滲鍍鋁金屬層，研究形成滲鍍層的最佳工藝參數(shù)及影響規(guī)律。研究鈦合金Ti6Al4V表面滲鍍鋁層的滲鍍層厚度、成分分布、微觀組織及與基體結(jié)合強度。研究方法：對鈦合金Ti6Al4V表面加弧輝光滲鍍鋁；綜合利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡等手段對涂層的成分、微觀結(jié)構(gòu)及界面結(jié)構(gòu)進行分析；在MS-3000摩擦磨損試驗機、MFT-4000材料表面性能試驗儀和CS350電化學工作站模擬不同工況進行磨損及腐蝕試驗；采用SX2-12-10箱式電阻爐進行高溫氧化試驗；四研究方法及技術(shù)路線技術(shù)路線：四研究方法及技術(shù)路線利用掃描電子顯微鏡分析滲鍍層表面形貌

探討最佳工藝參數(shù)及其影響規(guī)律

利用材料性能試驗儀檢驗滲鍍層與基體結(jié)合強度

利用輝光放電光譜儀測定滲層成分分布

利用電化學工作站測定滲鍍層的腐蝕極化曲線

利用箱式電阻爐測定高溫氧化性能闡明成分-工藝-組織-性能間的內(nèi)在規(guī)律，解決鈦合金的高溫氧化及耐蝕性問題莊蕾講師、碩士

李忠厚教授

潘俊德教授、博導