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TC18钛合金表面等离子CoCrFeNiAl高熵合金层制备及性能研究

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TC18钛合金表面等离子CoCrFeNiAl高熵合金层制备及性能研究

作者：李民锋南京航空航天大学

学位级别：硕士

TC18钛合金应用于飞机起落架、襟翼导轨等航空结构件时面临着严苛的摩擦和腐蚀环境,但耐磨性能和耐腐蚀性能不足限制了结构件的服役可靠性和使用寿命。高熵合金涂层具有晶格畸变效应带来的力学性能提升和简单相结构带来的组织稳定性,特... 详细信息

TC18钛合金应用于飞机起落架、襟翼导轨等航空结构件时面临着严苛的摩擦和腐蚀环境,但耐磨性能和耐腐蚀性能不足限制了结构件的服役可靠性和使用寿命。高熵合金涂层具有晶格畸变效应带来的力学性能提升和简单相结构带来的组织稳定性,特别适用于摩擦环境和腐蚀环境的金属表面防护。本课题采用双层辉光等离子表面冶金技术在TC18钛合金表面制备Co Cr Fe Ni Al高熵合金层,并研究对TC18钛合金基体的摩擦与腐蚀防护效果。SEM和EDS分析表明合金层结构均匀致密,总厚度约6.8μm,各元素含量原子比:Co-18.77%、Cr-22.18%、Fe-24.21%、Ni-18.10%和Al-16.74%。XRD分析表明,合金层以FCC固溶体为主要结构相,同时得到了少量的NiAl、AlCr和Al Ti相。TEM测试表明,基体表面晶粒显著细化,合金层中存在纳米晶组织和非晶组织,由界面处至沉积层纳米晶含量逐渐增加。TC18钛合金表面制备Co Cr Fe Ni Al高熵合金层后显微硬度由372.98 HV提升至1046.92 HV,纳米硬度和弹性模量分别由基体的4.02 GPa和96.12 GPa提升至合金层的12.66 GPa和158.52GPa,弹性变形抗力和塑性变形抗力显著提升。分别控制载荷因素和速度因素进行室温空气环境摩擦磨损测试。结果表明,基体摩擦系数剧烈波动,而合金层保持低且平稳的摩擦系数;基体发生了磨粒磨损和粘着磨损,合金层为轻微的黏着磨损;合金层的磨痕宽度和磨痕深度远小于基体,控制载荷因素时磨损量约降低至基体的6.83%～14.58%,控制速度因素时约降低至基体的4.40%～10.07%。3.5wt%Na Cl溶液环境摩擦磨损试验表明,基体和合金层的摩擦系数相近,但摩擦系数波动范围远大于合金层;基体表面形成了大量犁沟和磨屑颗粒,而合金层主要为摩擦副小球的对磨带来的轻微磨损;合金层的磨痕宽度和磨痕深度远小于基体,磨损量约为基体的4.92%～6.17%。通过电化学测试分析Co Cr Fe Ni Al高熵合金层对TC18钛合金的腐蚀防护效果。3.5%Na Cl溶液中,与基体相比合金层的腐蚀电流更小、腐蚀电位更高,浸泡处理1天前后合金层的腐蚀速率分别降低至基体的0.08和0.4;合金层的界面电荷转移电阻和表面氧化膜电阻远大于基体,耐腐蚀效果更好。5%HSO溶液和5%HCl溶液中电化学测试表明,合金层在HCl溶液中具有较小的腐蚀电流和较高的腐蚀电位,而基体在HSO溶液中的电化学反应活性更低,在HSO溶液和HCl溶液中,合金层的腐蚀速率分别降低至基体的0.30和0.22;合金层在两种酸性环境中的界面电荷转移电阻和表面氧化膜电阻远大于基体,表现出更低的腐蚀反应倾向。模拟海水浸泡试验中,基体的腐蚀增重远大于合金层,表面微区腐蚀和点腐蚀更严重,合金层的腐蚀始于表面金属颗粒缝隙处,腐蚀速率显著低于基体。

关键词：双层辉光等离子表面冶金技术 TC18钛合金 CoCrFeNiAl高熵合金层摩擦磨损行为腐蚀行为

γ-TiAl合金等离子渗W与W-C复合渗工艺及渗层性能研究

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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：郑冬冬南京航空航天大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

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

γ-TiAl双辉等离子W-Mo共渗工艺及改性层性能研究

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γ-TiAl双辉等离子W-Mo共渗工艺及改性层性能研究

作者：黄聪南京航空航天大学

学位级别：硕士

γ-TiAl具有比强度高和耐蚀性好等特点,是在当代化工、航空航天和汽车等领域具有应用前景的材料之一,但是γ-TiAl的抗高温氧化性能与耐磨性能不足等缺陷限制了其应用。针对上述问题,本课题采用双层辉光等离子表面冶金技术在γ-TiAl表面... 详细信息

γ-TiAl具有比强度高和耐蚀性好等特点,是在当代化工、航空航天和汽车等领域具有应用前景的材料之一,但是γ-TiAl的抗高温氧化性能与耐磨性能不足等缺陷限制了其应用。针对上述问题,本课题采用双层辉光等离子表面冶金技术在γ-TiAl表面制备W-Mo改性层,并制备渗Mo改性层和渗W改性层作为对比,探究其高温氧化行为和摩擦磨损机理。通过改变各工艺参数进行正交试验探索,得到的最佳工艺参数为:保温时间3h,气压35Pa,极间距20mm,源极电压850V,阴极电压500V。最佳工艺参数下制备的W-Mo改性层表面致密,厚度约9μm,与γ-TiAl结合良好,结合力为74N。W-Mo改性层表面主要由W相和Mo相组成。W-Mo改性层的显微硬度平均值为853.2HV0.1,约为γ-TiAl的2.8倍,纳米硬度10.337GPa,弹性模量282GPa。通过恒温氧化试验对比探究γ-TiAl基体、渗Mo改性层、渗W改性层和W-Mo改性层在750℃、850℃和900℃下的抗高温氧化性能。W-Mo改性层在750℃与850℃的氧化产物主要为MoO、MoO、WO、AlO和TiO,其表面氧化膜结构致密,与γ-TiAl结合良好。900℃下的氧化产物为MoO、WO、AlO和TiO,表面晶粒呈球状,内部以棉絮状向外生长,底部组织仍然连续致密,并且氧化增重最小,为4.6324mg/cm2,约为γ-TiAl的21.47%,能够有效提高γ-TiAl的抗高温氧化性能。通过往复式摩擦磨损试验对比探究γ-TiAl基体、渗Mo改性层、渗W改性层和W-Mo改性层在不同的滑动速度和载荷下的耐磨性。结果显示,W-Mo改性层结合渗Mo改性层的润滑作用和渗W改性层优越的耐磨性能,其摩擦系数相对最小,约为0.45。W-Mo改性层的体积磨损量为0.0051mm3,比磨损率为0.1487×10-4·mm3·m,约为γ-TiAl的8.32%,磨损机制是轻微的磨粒磨损,W-Mo改性层可以有效的提高γ-TiAl的耐磨性。

关键词：双层辉光等离子表面冶金技术 W-Mo改性层 γ-TiAl 高温氧化摩擦磨损

TA15合金表面Cr-Si合金层的高温氧化及抗热腐蚀行为研究

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TA15合金表面Cr-Si合金层的高温氧化及抗热腐蚀行为研究

作者：裴秋旭南京航空航天大学

学位级别：硕士

TA15合金兼具α合金优异的抗蠕变性能、良好的耐蚀性及(α+β)合金的高强度,其独特的优势,使其成为航空航天领域具有巨大潜力的新型高温结构材料。但其抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能的不足,严重限制了该合金的使用范围。为解决这一问题... 详细信息

TA15合金兼具α合金优异的抗蠕变性能、良好的耐蚀性及(α+β)合金的高强度,其独特的优势,使其成为航空航天领域具有巨大潜力的新型高温结构材料。但其抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能的不足,严重限制了该合金的使用范围。为解决这一问题,采用双层辉光等离子表面冶金技术在TA15合金表面制备Cr-Si合金层,以提高其抗高温氧化及抗热腐蚀性能。TA15合金基体表面成功渗Cr后,再进行渗Si,渗Cr的最佳工艺参数为:温度950℃,源极电压950V;工件电压400V;工作气压35Pa;极间距15mm;保温时间3h。渗Si层的最佳工艺参数为:温度1000℃,源极电压1000V;工件电压450V;工作气压38Pa;极间距15mm;保温时间3.5h。利用SEM、EDS、XRD对Cr-Si合金层的表面形貌、截面形貌、元素分布及相组成进行分析,结果表明:Cr-Si合金层表面均匀致密,无孔洞、缝隙;表面相组成为Cr、Si和Cr3Si;厚度约为40μm,与基体之间结合力达63.5N。对基体及Cr-Si合金层在不同温度下进行高温氧化实验,结果表明:温度低于750℃时,基体及Cr-Si合金层都具有一定抗高温氧化能力,基体在800℃以上失去抗氧化能力;Cr-Si合金层在850℃氧化50h后,表面出现轻微剥落,但仍具有较好的抗高温氧化作用。对基体及Cr-Si合金层在750℃不同时间进行高温氧化实验,结果表明:基体表面氧化膜呈AlO和TiO交替分层分布;Cr-Si合金层表面能迅速生成Cr2O3和SiO保护膜,起到较好抗高温氧化作用。对基体及Cr-Si合金层在不同温度NaSO盐中热腐蚀实验,结果表明:Cr-Si合金层增重小于基体,且温度低于750℃热腐蚀100h时均表现出一定的抗热腐蚀能力。基体在800℃氧化50h时,氧化膜腐蚀剥落;Cr-Si合金层在800℃中热腐蚀100h后,仍能起到较好的抗热腐蚀作用。对基体及Cr-Si合金层在700℃的NaSO盐中不同时间热腐蚀实验,结果表明:基体及Cr-Si合金层均表现出一定的抗热腐蚀能力;NaSO盐可使氧化膜疏松多孔,还能与金属元素发生氧化或硫化反应,是加速氧化腐蚀的催化剂。对基体及Cr-Si合金层在75%NaSO+25%NaCl混合盐中不同时间热腐蚀试验,结果表明:基体在混合盐中抗热腐蚀能力急剧下降,生成的氧化膜疏松,且易与基体剥离;Cr-Si合金层表面氧化膜仍具有较好的抗热腐蚀能力。氯离子的存在加速了热腐蚀进程,故混合盐中的热腐蚀过程是氧化、硫化和氯化的综合过程。

关键词： TA15合金双层辉光等离子表面冶金技术工艺参数 Cr-Si合金层高温氧化热腐蚀

Q235钢双层辉光等离子渗Ta的工艺及改性层耐蚀性的研究

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Q235钢双层辉光等离子渗Ta的工艺及改性层耐蚀性的研究

作者：毕强南京航空航天大学

学位级别：硕士

Q235钢强度高、韧性好、成本低，但耐蚀性较差;Ta在稀有金属中耐蚀性最好，但价格昂贵。针对上述问题，本工作采用双层辉光等离子表面冶金技术对Q235钢进行等离子表面渗Ta处理，在Q235钢表面得到Ta改性层。为了获得良好的Ta改性层，首... 详细信息

Q235钢强度高、韧性好、成本低，但耐蚀性较差;Ta在稀有金属中耐蚀性最好，但价格昂贵。针对上述问题，本工作采用双层辉光等离子表面冶金技术对Q235钢进行等离子表面渗Ta处理，在Q235钢表面得到Ta改性层。为了获得良好的Ta改性层，首先进行渗Ta工艺研究，分析改性层的成分、组织，然后测试了改性层的结合力、硬度以及耐磨性，并重点研究了Ta改性层在强还原性酸以及氯化钠溶液中的耐腐蚀性能。研究结果表明：双层辉光等离子表面渗Ta的最佳工艺参数为：源极电压：90050V，阴极电压：30050V，试样温度：950℃，保温时间：3h，工作气压：30Pa，极间距：15mm。在此条件下，能够在基体表面获得成分呈梯度变化的均匀致密的合金改性层，渗层的有效厚度约为33μm。XRD结果显示，改性层的主要物相为α-Ta。改性层与基体结合性能良好，属于冶金结合。试样表面硬度和耐磨性均大幅提高。极化曲线测试结果表明，Ta改性层试样在3.5%氯化钠和3.5%盐酸溶液中开路电位、自腐蚀电位和极化电阻均高于基材。电化学阻抗谱测试结果表明Ta改性层的容抗幅值、中频区相位角峰值及其频率范围均大于基材，说明Ta改性层耐蚀性优于基材。中性盐雾试验结果表明，中性盐雾试验20天后，与Ta改性层试样相比，基材试样腐蚀更为严重，失重更多，说明在人工加速条件下，Ta改性层很好的保护了基体。金属均匀腐蚀全浸测试结果表明，浸泡30天后，基体失重更多，腐蚀也更为严重。说明Ta改性层能够有效保护基体，显著提高基体的耐蚀性能。

关键词：双层辉光等离子表面冶金技术 Q235钢 Ta改性层耐腐蚀性能

TA15合金Cr-Si复合渗层的热腐蚀行为

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热处理 2016年第2期31卷 6-11页

作者：裴秋旭梁文萍缪强任蓓蕾王昉贲能军南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏南京211100

采用双层辉光等离子表面冶金技术对TA15合金进行了Cr-Si复合渗处理,以形成Cr-Si复合渗层。随后将TA15合金置于700℃硫酸钠(Na_2SO_4)盐浴中热腐蚀100 h,以研究Cr-Si复合渗层能否提高TA15合金的热腐蚀性能。结果表明,经Cr-Si复合渗的TA1... 详细信息

采用双层辉光等离子表面冶金技术对TA15合金进行了Cr-Si复合渗处理,以形成Cr-Si复合渗层。随后将TA15合金置于700℃硫酸钠(Na_2SO_4)盐浴中热腐蚀100 h,以研究Cr-Si复合渗层能否提高TA15合金的热腐蚀性能。结果表明,经Cr-Si复合渗的TA15合金热腐蚀增重较无Cr-Si复合渗层的TA15合金大大减小,即Cr-Si复合渗明显提高了TA15合金的耐热腐蚀性能。其原因是,Cr-Si复合渗层均匀、致密,在热腐蚀过程中形成Cr_2O_3和SiO_2氧化膜,保护合金不受腐蚀。

关键词： TA15合金双层辉光等离子表面冶金技术 Cr-Si复合渗层热腐蚀

双辉等离子表面冶金的Ni-Cr合金层组织结构及耐蚀性能研究

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热处理技术与装备 2015年第6期36卷 12-15页

作者：阮野殷瑛孔浚宇杨梅熊瑜娟黄俊南昌航空大学江西南昌330063 江西省科学院江西南昌330029

为了改善Q235碳钢表面耐蚀性能,采用双辉等离子表面冶金技术在其表面制备Ni-Cr合金层。研究了极间距对合金层组织结构的影响规律,并对合金层的组织成分和耐蚀性能进行检测分析。结果表明:随着极间距增大,Ni-Cr合金层厚度呈现先增加后减... 详细信息

为了改善Q235碳钢表面耐蚀性能,采用双辉等离子表面冶金技术在其表面制备Ni-Cr合金层。研究了极间距对合金层组织结构的影响规律,并对合金层的组织成分和耐蚀性能进行检测分析。结果表明:随着极间距增大,Ni-Cr合金层厚度呈现先增加后减小的趋势;Ni-Cr合金层组织均匀致密,与基体呈冶金结合状态,合金层厚度约为95μm,主要物相为Ni2.9Cr0.7Fe0.36和少量Ni3Fe。电化学极化曲线试验结果显示Ni-Cr合金层的自腐蚀电位和极化电阻较基材Q235高,而自腐蚀电流密度较低,即Ni-Cr合金层更难以发生电化学腐蚀反应且腐蚀速率更低。表明Q235钢经Ni-Cr共渗处理后,其耐蚀性得到明显改善。

关键词：双层辉光等离子表面冶金技术 Q235钢 Ni-Cr合金层极化曲线

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先进表面工程技术的发展前沿

山西能源与节能 2010年第4期 72-75,86页

作者：梁文萍缪强张平则姚正军南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏南京210016

叙述了表面工程的分类及各种表面工程技术的应用现状和发展趋势,指出,双层辉光等离子表面冶金技术、激光表面冶金技术、离子注入、加弧辉光离子渗镀技术和闭合场非平衡磁控溅射等先进技术是表面工程技术研究应用的前沿。

关键词：表面工程技术双层辉光等离子表面冶金技术激光表面冶金技术离子注入加弧辉光离子渗镀技术闭合场非平衡磁控溅射