高温钛合金溅射NiCrAlY涂层氧化行为的研究

研究了Ｔｉ－１１００高温钛合金表面溅射ＮｉＣｒＡｌＹ涂层对钛合金在６００℃－８００℃空气中氧化性能的影响。结果表明：由于在涂层表面形成均匀连续的Ａｌ２Ｏ３保护膜而显著改善了高温钛合金的抗氧化性,涂层本身的微晶组织使其具有良好的抗剥落能力。但在８００℃时,基体中少量Ｔｉ扩散到涂层表面形成ＴｉＯ,同时涂层中的Ｎｉ强烈向基体扩散,在基体和涂层中分别形成扩散带和空洞。     

TC4钛合金高温氧化行为

研究了TC4钛合金在650、750、850℃的循环氧化和25~1000℃范围内的连续变温氧化的氧化行为。采用电子天平或综合热分析仪、XRD、SEM和EDS分析了合金的氧化动力学、氧化膜的物相、表面形貌、截面结构及元素分析。结果表明:650℃循环氧化和连续变温氧化动力学曲线符合抛物线规律、750℃循环氧化符合抛物线-直线混合规律、850℃循环氧化符合直线规律。氧化膜由薄而致密的Al_2O_3外层和厚而疏松的TiO_2内层组成。随氧化温度升高,氧化膜厚度增加,但出现裂纹或剥落。     

TC4钛合金表面Cr2AlC涂层的制备及高温氧化行为

目的为提高钛合金在高温条件下的服役性能,探索Cr_2AlC MAX相涂层对TC4钛合金高温氧化行为的影响。方法采用低温反应直流磁控溅射技术再经后续退火处理的方法,在TC4钛合金基体表面制备高纯度的Cr_2AlC MAX相涂层。利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜和能谱仪,分析了Cr_2AlC涂层试样和TC4钛合金经750℃静态空气恒温氧化前后的相结构、组织形貌和组分,并采用分析天平测定了TC4钛合金和Cr_2AlC涂层试样在750℃静态空气中氧化后的氧化动力学曲线。结果经750℃空气中氧化10 h后,TC4钛合金表面形成厚度达13μm的疏松团絮状TiO_2和Al_2O_3混合物氧化膜。而Cr_2AlC涂层表面能够形成以α-(Al,Cr)2O3为主的致密氧化膜,可有效阻止氧元素向内扩散。Cr_2AlC涂层试样在750℃空气中氧化90 h后的氧化增重仅为无涂层TC4钛合金在750℃空气中氧化10 h后的6.6%。结论 Cr_2AlC涂层具有优异的抗高温氧化性能,能够明显提高TC4钛合金的使用温度,使其氧化增重速率大幅降低。     

船舶海水管系TC4钛合金的表面涂层与耐蚀性能

采用磁控溅射和微弧氧化的方法在海水管系TC4钛合金表面制备了TiO_2、ZrO_2/TiO_2和Zn-ZrO_2/TiO_2涂层,观察了表面涂层的显微形貌和物相组成,对比分析了TC4合金基材和涂层的电化学腐蚀性能。结果表明,TiO_2、ZrO_2/TiO_2和Zn-ZrO_2/TiO_2涂层表面都可见火山喷涂状熔融堆积物,表面可见尺寸不等、形状不规则的显微孔洞,TiO_2涂层表面微孔平均直径约为4. 6μm,而ZrO_2/TiO_2和Zn-ZrO_2/TiO_2涂层表面的微孔平均直径都约为2. 2μm; TiO_2涂层中含有金红石型TiO_2相,而ZrO_2/TiO_2和Zn-ZrO_2/TiO_2涂层中还存在t-ZrO_2相和少量c-ZrO_2相;基材和微弧氧化涂层的腐蚀电位从高至低的顺序为ZrO_2/TiO_2 Zn-ZrO_2/TiO_2 TiO_2TC4,ZrO_2/TiO_2涂层具有最佳的耐腐蚀性能,而掺杂Zn的Zn-ZrO_2/TiO_2涂层中的ZnO在电化学腐蚀过程中容易溶解而释放较多的Zn~(2+)而使得腐蚀倾向较ZrO_2/TiO_2涂层更大。     

NiCrAlY涂层对单晶镍基合金高温氧化行为的影响

通过对有无NiCrAlY涂层镍基单晶合金进行不同温度的恒温氧化动力学曲线测定及组织结构观察,研究了纳米晶NiCrAlY涂层对高Cr单晶镍基合金高温氧化行为的影响。结果表明：在高温氧化期间,无涂层试样发生明显的氧化、内氧化和内氮化,在表层为Al2O3、Cr2O3的混合氧化物,在次表层氧化物中富含元素Ta,而元素Al贫化,并在近基体区域存在内氧化物;随氧化温度升高,元素Al的贫化区尺寸增大,其中,富Ta相可抑制基体中元素Al向外扩散,延缓合金的氧化速率。合金在氧化初期增重迅速,而恒温氧化增重动力学曲线呈现起伏波动的原因,归结于表面氧化膜的形成与剥落。高Cr单晶合金经溅射NiCrAlY纳米晶涂层,可有效改善合金的抗氧化性能;有涂层试样在不同温度的恒温氧化动力学曲线仅在氧化初期有轻微增重而后趋于平稳,其形成的Al2O3氧化膜不发生明显的剥落,仅在基体近涂层/基体界面区域存在少量AlN内氮化物。     

TC4合金表面扩散渗硅涂层的高温氧化行为和失效机制

为提高钛合金的高温抗氧化性能,采用固体粉末扩散渗方法在其表面制备了扩散渗硅涂层,研究了涂层的组织结构、高温氧化行为和失效机制。结果表明,所制备涂层具有致密的多层梯度组织结构,主要由TiSi₂外层,TiSi中间层和Ti₅Si₄+Ti₅Si₃内层组成。高温氧化实验结果表明,涂层在850℃空气中氧化时表面形成了由SiO₂和TiO₂混合组成的保护膜,高温抗氧化性能优良;氧化过程中,涂层与基体合金中Si和Ti的互扩散引起氧化膜内TiO₂含量增加及Si源不足,导致氧化膜保护性变差;氧化产物与涂层之间较高的P-B比、氧化膜与涂层组织间热膨胀系数不匹配导致了氧化膜开裂和剥落。     

TC4钛合金表面沉积CrAlSiN涂层的组织与性能

为了提高TC4钛合金表面硬度和耐磨性能,通过等离子渗氮技术和多弧离子镀技术相结合的方法对TC4钛合金进行表面改性处理。通过扫描电镜、维氏显微硬度计、三维轮廓仪、高速往复摩擦磨损试验仪和电化学工作站,对比研究了TC4钛合金、渗氮层和CrAlSiN涂层的显微组织、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能。结果表明,经渗氮处理后,TC4合金表面渗氮层硬度提高了约2倍,在此基础上制备的CrAlSiN涂层的平均硬度高达3222 HV0.025,涂层表面存在少许大颗粒和凹坑;CrAlSiN涂层平均摩擦因数为0.22,磨损机理主要为粘着磨损,对磨副的材料粘着到涂层表面,而涂层几乎无磨损,耐磨性能显著提高。CrAlSiN涂层的自腐蚀电位为-0.542 V,比TC4钛合金基体的自腐蚀电位-0.747 V正移了0.205 V,表明在渗氮层基础上沉积CrAlSiN涂层显著提高了合金的耐电化学腐蚀性能。     

搅拌摩擦焊搭接法制备TC4钛合金表面Al涂层及其高温氧化行为

采用多道搅拌摩擦焊搭接的固态加工方法,并借助焊后表面铣削加工处理,在TC4钛合金表面制备了厚度约为500μm的Al涂层,并对基板试样和涂层试样在700℃大气环境下进行了高温氧化实验用扫描电镜、能谱分析和X射线衍射分析等手段研究了涂层和界面的微观组织结构,并讨论了界面中间层在高温氧化过程中的相结构演变.结果表明,经过搅拌摩擦焊搭接加工,涂层/基体的界面为富Ti的条带状结构,界面中间层厚度达60μm.在表层富Al组织发生高温氧化及熔化现象的同时,足够厚度的Al涂层可对O的内扩散起到一定阻碍作用,而中间层的Ti和Al二元扩散行为促进了Ti-Al相在界面稀氧环境下的形成,最终起到对基体抗氧化的主要防护作用.高温氧化后表面相组成主要为Al₂O₃,Al₂Ti和Al₃Ti.而界面中间层的Ti-Al相结构呈显著的梯度分布特征.     

TC4钛合金微弧氧化膜形成过程中熔池的温度探测

目的制取微弧氧化复合膜,探讨TC4钛合金微弧氧化膜层的形成温度。方法采用在微弧氧化电解液中分别加入第二相颗粒(α-Al_2O_3、ZrO_2、W)的方法,制得相应的TC4钛合金微弧氧化复合膜,利用第二相颗粒是否发生溶解相变来探测膜层形成的最高温度。结果在微弧氧化复合膜中均发现了第二相颗粒,α-Al_2O_3、ZrO_2和W粉颗粒均发生了溶解,小尺寸的第二相颗粒在膜层中全部溶解,大尺寸颗粒由于动力学的原因,熔池作用的时间很短,颗粒来不及全部溶解,仅发生了表壳和棱角的溶解,导致大颗粒的尺寸变小,轮廓变得更加圆润。在中粒径为50 nm的W粉制作的复合膜层中,并未发现W粉颗粒的存在,但是W元素均存在于膜层中。这是因为W粉颗粒太小(仅50 nm),颗粒在膜层中全部溶解。在中粒径为1μm的W粉颗粒制作的复合膜中,发现了W粉颗粒,颗粒轮廓圆润,尺寸小于1μm。这是颗粒部分溶解的缘故(仅表壳和轮廓发生了溶解)。在复合膜中,不含有第二相颗粒的区域均能相应地检测到Al、Zr、W元素的存在。结论根据SEM和EDS检测结果可以得知,微弧氧化膜层形成的过程中,熔池形成的最高温度超过了W的熔点3410℃。     

水热反应液浓度对TC4钛合金微弧氧化涂层硬度和摩擦性能的影响

针对TC4钛合金耐腐蚀性偏低的问题,本文利用微弧氧化技术在TC4钛合金表面制备陶瓷涂层,探究电解液中水热合成液浓度对TC4钛合金微弧氧化(MAO)涂层硬度和摩擦行为的影响。利用XRD、SEM、摩擦试验机等设备对水热处理的TC4钛合金微弧氧化进行表征。研究结果表明:随着水热反应液浓度增加,TC4钛合金微弧氧化涂层中金红石相Ti O2衍射峰逐渐加强,锐钛矿相Ti O2减弱。在水热处理24 h后,在水热反应试验条件下能实现羟基磷灰石颗粒的合成,并且反应液浓度越高,获得的羟基磷灰石越多。水热合成浓度增加,有助于TC4钛合金涂层表面平整度增加。水热处理后的TC4钛合金MAO涂层的显微硬度呈现出先增加后降低的趋势。水热处理TC4钛合金MAO涂层的摩擦因数在0. 95～1. 1之间,水热合成液的浓度对摩擦因数影响不明显。     

TC4钛合金表面激光合金化制备Ti-Si涂层

以Ti、Si单质元素混合粉末为原料,采用激光合金化技术在钛合金表面成功制备出了Ti-Si合金涂层。分析了涂层的组织形貌、成分和物相组成,测试了涂层的显微硬度及与YG6在干摩擦磨损条件下的摩擦磨损性能。结果表明:在合适的激光合金化参数下制备的Ti-Si涂层整体均匀致密,无裂纹且与TC4基体呈良好的冶金结合;涂层组织主要由针状的α-Ti基体和网状分布的Ti_5Si_3/β-Ti共晶体(室温下为Ti_5Si_3/α-Ti)组成;自下而上涂层组织细化,硬度HV在6600~7300 MPa之间,与TC4钛合金相比,平均摩擦系数降低(0.39 vs 0.45),耐磨性提高2.4倍。     

Oxidation of double-glow plasma chromising coating on TC4 titanium alloys

Double-glow plasma surface chromising was performed on TC4 (Ti–6Al–4V) alloys, and the isothermal oxidation behaviour of TC4 was investigated at 650, 750, and 850 °C. The surface treatment caused the formation of a Ti–Cr mutual diffusion layer beneath the alloy surface. The chromising coating consisted of Cr, Cr_1.97Ti_1.07, and CrTi₄. During oxidation, Cr, Ti, and Al diffused outward to form multi-layer oxide films, which prevented the diffusion of oxygen.     

TC4钛合金超塑成形流变行为

针对TC4钛合金超塑成形过程中的流变行为、表征及其应用进行了研究。首先,通过恒应变率高温拉伸试验获得TC4钛合金在高温下的流变行为,发现动态回复主要作用于低应变率的变形,动态再结晶主要作用于高应变率下的应力软化机制。此外,建立一套修正的本构模型用以表征材料的高温流变行为,预测值与试验值之间的平均相对误差为13.09%,证实该本构模型适应于表征钛合金超塑成形的应力-应变关系。最后,基于本构模型,结合ABAQUS有限元软件的CREEP蠕变子程序,考虑应变补偿的影响,开发了一种针对TC4钛合金高温超塑行为数值模拟的方法。以高温拉伸试验为研究对象,分别针对数值模拟应变率、应力和应变结果进行分析,验证了该方法的有效性。     

TC4钛合金扩散连接区热变形特性行为研究

以TC4钛合金扩散连接区为研究对象,在变形温度920,950,980,1010 ℃及应变速率0.01,0.1,1,10 s-1的条件下进行热变形试验,研究了变形温度和应变速率对TC4钛合金扩散连接区流变应力和微观组织的影响规律。研究结果表明：TC4钛合金扩散连接区在高温下具有明显的动态软化特征,流变应力随变形温度的升高而降低,随变形速率的提高而增大;高温变形后扩散连接界面消失,随变形温度的增加,等轴α相的体积分数减少,同时伴有短棒状和板条状的次生α相出现,且次生α相的体积分数随应变速率增加逐渐降低;当变形温度达到1010 ℃时,出现马氏体α′相;以双曲正弦形式修正的Arrhenius方程为基础,建立了TC4钛合金扩散连接区双曲正弦本构方程以及热加工图,确定TC4钛合金扩散连接区的最佳变形温度为920~950 ℃,变形速率为0.01~0.1 s-1。     

Hot deformation behavior and microstructure evolution of TC4 titanium alloy

The hot deformation behavior of Ti-6Al-4V(TC4) titanium alloy was investigated in the temperature range from 650 °C to 950 °C with the strain rate ranging from 7.7×10-4 s-1 to 7.7×10-2 s-1.The hot tension test results indicate that the flow stress decreases with increasing the deformation temperature and increases with increasing the strain rate.XRD analysis result reveals that only deformation temperature affects the phase constitution.The microstructure evolution under different deformation conditions was characterized by TEM observation.For the deformation of TC4 alloy,the work-hardening is dominant at low temperature,while the dynamic recovery and dynamic re-crystallization assisted softening is dominant at high temperature.     

TC4钛合金热变形行为研究及本构模型

利用Gleeble-3500热模拟试验机进行等温恒应变速率热压缩实验,研究了TC4钛合金在温度800~950℃、应变速率0.001~10s-1条件下的流动软化行为。研究发现随变形温度降低和应变速率增大TC4钛合金的流动软化程度增大,且800~850℃、应变速率1~10s-1变形时的流动软化主要是塑形流动失稳引起的,温度900~950℃、应变速率0.001~0.1s-1条件变形时,流动软化主要是片状α相的等轴化引起的。引入应变对材料常数α、n、A和Q的影响,建立了考虑应变的TC4钛合金Arrhenius本构方程,建立的本构模型精度较好,在800℃、850℃和10s-1条件以及在900℃、950℃和0.1s-1条件下,模型平均绝对误差分别为4.2%和4.3%。TC4钛合金的平均变形激活能为403kJ/mol,平均应变速率敏感指数为0.26。     

Stability of NiCrAlY coating/titanium alloy system under pure thermal exposure

In this paper,NiCrAlY coating was deposited on TC4 titanium alloy using arc ion plating,and the stability of NiCrAlY coating/TC4 substrate system under pure thermal exposure was analyzed in a wide temperature range.During the thermal exposure,β→γ′→γphase transformation takes place in the NiCrAlY coating.The NiCrAlY coating phases totally decompose above the allotropic transformation temperature of TC4.The allotropic transformation ofα-Ti to β-Ti of the substrate significantly influences the stability of NiCrAlY coating/TC4 substrate system.NiCrAlY coating elements are mainly consumed by interfacial reactions below the allotropic transformation temperature of TC4.Above the allotropic transformation temperature of TC4,NiCrAlY coating elements are mainly consumed by element dissolution in β-Ti.The NiCrAlY coating totally degrades for the dissolution of coating elements in the substrate to form thickβ-Ti stabilized layer.     

TC4钛合金表面激光合金化涂层的组织与耐磨性能

采用WC(含碳量0.1wt%)、Ni、Si混合粉末为原料,利用激光合金化技术在TC4钛合金表面原位制备了含WC、Ni、Si的涂层,使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)与能谱分析(EDS)等方法分析了涂层的组织与成分,用HXD-1000B型维氏显微硬度计和MMW21型立式万能摩擦磨损试验机测试了涂层的显微硬度及摩擦磨损性能。结果表明:利用优化后的激光合金化参数制备出的含WC量较多的涂层,其整体均匀致密、无裂纹,且与TC4合金基材呈冶金结合;涂层物相主要由α-Ti、Ti₅Si₃、WC和TiNi组成;涂层硬度为950 HV0.2,平均摩擦因数为0.2,平均磨损量为0.308 mg,耐磨性显著提高。     

TC4钛合金表面等离子体电解氮碳共渗层的特征与耐磨性

利用等离子体电解渗技术,在TC4钛合金表面制备了等离子体电解氮碳共渗(PEN/C)层.试验结果表明:在钛合金表面形成的PEN/C渗层为多孔的Ti(C,N),硬度达到2200 HK0.025.以GCr15钢球为摩擦配副时,渗层几乎没有磨损,而GCr15钢球磨损后的磨屑附着在渗层表面导致渗层磨损质量损失为负值;以ZrO2球为摩擦配副时,摩擦系数减小至0.1～0.15,磨损质量损失仅为钛合金基体的1/5～1/4.钛合金表面PEN/C渗层具有优异的减摩耐磨作用,提高了钛合金的耐磨性能.