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

1、校校 級級 科科 研研 立立 項項 研究的目的及意義研究的目的及意義 選題的背景選題的背景 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 開開 題題 報報 告告 研究方法及技術(shù)路線研究方法及技術(shù)路線 進度計劃進度計劃 研究團體研究團體 預(yù)期成果預(yù)期成果 一一 選選 題題 的的 背背 景景 在工程材料實際應(yīng)用中，損傷多發(fā)在工程材料實際應(yīng)用中，損傷多發(fā) 生在材料的表面，如材料的疲勞、腐生在材料的表面，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直接影響工程金屬材料的綜合性能指 標。標。 金

2、屬材料制品損傷主要有金屬材料制品損傷主要有 腐蝕腐蝕 磨損磨損疲勞斷裂疲勞斷裂高溫氧化高溫氧化 損傷破壞帶來的經(jīng)濟損失十分驚人。如腐蝕一項，損傷破壞帶來的經(jīng)濟損失十分驚人。如腐蝕一項， 據(jù)統(tǒng)計全世界鋼產(chǎn)量的據(jù)統(tǒng)計全世界鋼產(chǎn)量的1/101/10由于腐蝕而損耗，由于腐蝕而損耗，19951995年美年美 國因腐蝕造成的損失達國因腐蝕造成的損失達30003000億美元，而我國每年因腐蝕億美元，而我國每年因腐蝕 造成的損失至少達造成的損失至少達20002000億元，磨損造成的損失與之相近。億元，磨損造成的損失與之相近。 因此，在不降低金屬材料整體性能的前提下，通過對因此，在不降低金屬材料整體性能的前提下

3、，通過對 材料的表面進行改性，提高材料及其制品耐腐蝕、耐磨損、材料的表面進行改性，提高材料及其制品耐腐蝕、耐磨損、 減磨、潤滑、抗高溫氧化及抗疲勞性能，可以達到延長金減磨、潤滑、抗高溫氧化及抗疲勞性能，可以達到延長金 屬材料使用壽命的目的?；诠こ绦枰?，發(fā)展出了表面工屬材料使用壽命的目的?；诠こ绦枰?，發(fā)展出了表面工 程學科。程學科。 一一 選選 題題 的的 背背 景景 表面工程技術(shù)成為當代世界十大關(guān)鍵技術(shù)之一。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)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

4、航天技術(shù) 信息技術(shù) 一一 選選 題題 的的 背背 景景 表面工程基礎(chǔ)理論表面工程基礎(chǔ)理論 表面涂覆技術(shù)表面涂覆技術(shù) 表面改性技術(shù)表面改性技術(shù) 表面復(fù)合處理技術(shù)表面復(fù)合處理技術(shù) 表面加工技術(shù)表面加工技術(shù) 表面分析技術(shù)表面分析技術(shù) 表面性能檢測表面性能檢測 表面工程技術(shù)設(shè)計表面工程技術(shù)設(shè)計 表面工程包括表面工程包括 一一 選選 題題 的的 背背 景景 表表 面面 改改 性性 技技 術(shù)術(shù) 噴丸強化噴丸強化 表面熱處理表面熱處理 化學熱處理化學熱處理 高能束表面改性高能束表面改性 等離子表面冶金技術(shù)等離子表面冶金技術(shù) 激光表面合金化激光表面合金化 雙輝滲鍍技術(shù)雙輝滲鍍技術(shù) 加弧輝光滲鍍技術(shù)加弧輝光滲鍍

5、技術(shù) 固體、液體、氣固體、液體、氣 體真空滲碳體真空滲碳 離子滲鍍離子滲鍍 氮化氮化 離子注入離子注入 一一 選選 題題 的的 背背 景景 一一 選選 題題 的的 背背 景景 比強度最高比強度最高 在高溫和低溫下都能保持高的強在高溫和低溫下都能保持高的強 度度 無可匹敵的耐蝕性無可匹敵的耐蝕性 室溫條件下不與氯氣、稀室溫條件下不與氯氣、稀 硫酸、稀鹽酸、硝酸作用，在淡水和海水中有硫酸、稀鹽酸、硝酸作用，在淡水和海水中有 極高的抗蝕性極高的抗蝕性 資源豐富資源豐富 （僅次于（僅次于O、Si、Al、Fe、Ca、Na、 K、Mg，列第九位），列第九位） 質(zhì)量輕質(zhì)量輕 密度為密度為4.5g/cm3，僅

6、為鋼的，僅為鋼的60% 鈦合金鈦合金 航空航天航空航天 化工化工 醫(yī)療醫(yī)療 海洋海洋 日常生活用品日常生活用品 一一 選選 題題 的的 背背 景景 一一 選選 題題 的的 背背 景景 鈦合金的主要缺點鈦合金的主要缺點 硬度低、摩擦系數(shù)高、易和其它材料發(fā)生硬度低、摩擦系數(shù)高、易和其它材料發(fā)生 粘著磨損，耐磨性差等。粘著磨損，耐磨性差等。 鈦合金的抗氧化性能主要取決于在服役條件鈦合金的抗氧化性能主要取決于在服役條件 下表面能否形成致密的保護性氧化膜。高溫下表面能否形成致密的保護性氧化膜。高溫 鈦合金鈦合金Ti6Al4VTi6Al4V中含有中含有6%6%左右的鋁不足以在左右的鋁不足以在 表面形成連續(xù)

7、致密的表面形成連續(xù)致密的AlAl2 2O O3 3氧化膜，氧化時形氧化膜，氧化時形 成由多孔的成由多孔的TiOTiO2 2為主的氧化膜，抗氧化能力為主的氧化膜，抗氧化能力 差。差。 一一 選選 題題 的的 背背 景景 對于對于Ti6Al4VTi6Al4V合金，它的高溫使用溫度為合金，它的高溫使用溫度為 300300左右，近左右，近鈦合金的使用溫度為鈦合金的使用溫度為600600， -TiAl-TiAl最高只能達到最高只能達到800800左右。鈦合金不左右。鈦合金不 高的抗高溫氧化能力嚴重限制了其廣泛應(yīng)用高的抗高溫氧化能力嚴重限制了其廣泛應(yīng)用 ： 基體合金化：基體合金化：合金元素的加入在一定范圍

8、內(nèi)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。合金原來的一些力學性能。 表面處理：表面處理：通過在鈦合金表面形成一層抗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，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了資源

9、；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。溫氧化性能最經(jīng)濟有效的方法。 一一 選選 題題 的的 背背 景景 一一 選選 題題 的的 背背 景景 火焰噴涂和等離子噴涂火焰噴涂和等離子噴涂涂層組織粗大、孔隙涂層組織粗大、孔隙 率高率高( (疏松疏松) )、與基體結(jié)合力差、容易開裂或剝落、與基體結(jié)合力差、容易開裂或剝落 激光表面處理激光表面處理設(shè)備昂貴，處理面積小，適用設(shè)備昂貴，處理面積小，適用 面小，產(chǎn)業(yè)化較困難面小，產(chǎn)業(yè)化

10、較困難 固態(tài)粉末擴散滲鋁固態(tài)粉末擴散滲鋁滲層室溫較脆，長時間高滲層室溫較脆，長時間高 溫擴散費時、耗能，且滲劑的分解產(chǎn)物污染環(huán)境溫擴散費時、耗能，且滲劑的分解產(chǎn)物污染環(huán)境 電鍍與化學鍍電鍍與化學鍍處理液污染環(huán)境處理液污染環(huán)境 一一 選選 題題 的的 背背 景景 加弧輝光離子滲鍍技術(shù)簡介加弧輝光離子滲鍍技術(shù)簡介 加弧輝光離子滲鍍技術(shù)原理是在雙層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(shè)置輔助源極，利用，在被處理工件周圍設(shè)置輔助源極，利用 輝光放電空心陰極效應(yīng)使工件迅速升溫，輝光放電空心陰極效應(yīng)使工件迅速升溫，

11、它既是加熱源又是欲滲元素的輔助供給源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(shè)置一個或多個金。同時在真空容器壁上設(shè)置一個或多個金 屬陰極電弧靶源屬陰極電弧靶源, ,利用真空電弧放電引燃利用真空電弧放電引燃 電弧源電弧源, ,不斷地發(fā)射出高能量、高電流密不斷地發(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，在和離子轟擊作用快速滲入工件表面層，在 工件

12、表面可以形成滲層、鍍層、滲鍍結(jié)合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。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：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（）滲速極快，平均值為（300700）m/h。 （2）工件形狀不受限制，可在爐內(nèi)任意排放。）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。）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）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）滲鍍層成分呈梯度分布、硬度也呈梯度分 布，不存在

13、布，不存在“膜基結(jié)合力膜基結(jié)合力”問題問題 （6）合金滲鍍層成分基本可控，成分變動范圍）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。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。）無污染，工作條件好，節(jié)約能源。 一一 選選 題題 的的 背背 景景 一一 選選 題題 的的 背背 景景 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 （一）加弧輝光離子滲鍍技術(shù)目前已在碳鋼、合金鋼（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。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）用加弧輝光離子滲鍍技術(shù)在用A3鋼制作的緊固件

14、螺鋼制作的緊固件螺 釘、螺母上進行滲鈦，滲層厚度可達釘、螺母上進行滲鈦，滲層厚度可達40m左右，試件進左右，試件進 行鹽霧試驗，結(jié)果表明，鹽霧試驗行鹽霧試驗，結(jié)果表明，鹽霧試驗96h無銹斑，無銹斑，240h后有后有 少量的腐蝕，證明抗蝕性能大大提高。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）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、薄膜進行的工藝性能研究表明，耐蝕、 耐磨性能大大提高，切削性能可提高耐磨性能大大提高，切削性能可提高 46倍，表面金黃色也十分美觀。倍，表面金黃色也十分美觀

15、。 一一 選選 題題 的的 背背 景景 （二）目前，在鈦及鈦合金表面加弧輝光處理中，有（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。關(guān)提高耐磨及耐蝕性的研究較多。 1）對鈦合金）對鈦合金Ti6Al4V表面加弧輝光滲鍍表面加弧輝光滲鍍Cr-Ni后，表后，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 高的抗含高的抗含Cl-水溶液腐蝕性能。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）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，對陰極電弧石墨靶，對Ti6AI4V鈦合金進行離子無

16、氫滲碳，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的擴散層，從減摩和抗磨兩方面改善了Ti6AI4V的摩擦的摩擦 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，減小了7倍多，和原材料相比較比磨損率減小了倍多，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。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金加弧輝光滲鍍鋁提

17、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，可以擴展鈦合金以提高其抗高溫氧化性，可以擴展鈦合金 的高溫應(yīng)用領(lǐng)域，它的深入研究也必將開的高溫應(yīng)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。拓鈦合金抗高溫氧化的一個新的研究領(lǐng)域。 一一 選選 題題 的的 背背 景景 二二 研研 究究 的的 目目 的的 及及 意意 義義 研究的目的研究的目的 研究的意義研究的意義 二二 研研 究究 的的 目目 的的 及及 意意 義義 三三 研研 究究

18、內(nèi)內(nèi) 容容 （1）加弧輝光離子滲鍍的制備工藝）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)）滲鍍層的厚度、成分、結(jié)構(gòu) （3）滲鍍層的耐磨、耐蝕性能研究）滲鍍層的耐磨、耐蝕性能研究 （4）滲鍍試樣的高溫氧化性能及機制）滲鍍試樣的高溫氧化性能及機制 三三 研研 究究 內(nèi)內(nèi) 容容 研究方法：研究方法： 對鈦合金對鈦合金Ti6Al4VTi6Al4V表面加弧輝光滲鍍鋁；表面加弧輝光滲鍍鋁； 綜合利用綜合利用X X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、金射線衍射儀、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；界面結(jié)構(gòu)進行分析； 在在MS-3000MS-3000摩擦磨損試驗機、摩擦磨損試驗機、 MFT-4000MFT-4000 材料表面性能試驗儀和材料表面性能試驗儀和CS350CS350電化學工作電化學工作 站模擬不同工況進行磨損及腐蝕試驗；站模擬不同工況進行磨損及腐蝕試驗； 采用采用SX2-12-10SX2-12-10箱式電阻爐進行高溫氧化試驗；箱式電阻爐進行高溫氧化試驗； 四四 研研 究究 方方 法法 及及 技技 術(shù)術(shù) 路路 線線 技術(shù)路線：技術(shù)路線：四四 研研 究究 方方 法法 及及 技技 術(shù)術(shù) 路路 線線 利用掃描電子顯微鏡分析滲鍍層表面形貌利用掃描