（材料物理与化学专业论文）tisi系合金力学、摩擦学性能及相图研究.pdf

t i s il 合奢力掌1 攘掌性麓反相田研究 t i - s i 系合金力学、摩擦学性能及相图研究 摘要 本论文研究了t i - s i 系合金的微观组织与性能。确定了钛硅的最佳配 比及成分，并对其合金化处理后的微观组织、力学性能、摩擦机制和平衡 相图等进行7 深入细致的探讨。 观察到在不同s i 含量的t 卜s i 合金中，t i - s i 共晶合金具有最好的微 观组织与力学性能。而铸态t j - s i 共晶合金的成分为q - t i 和t ；s i 。，并不 包含t i 3 s i 。在此基础上研究了在t i - s i 共晶合金中加入稀土元素、a i 元素 等合金化元素对合金显微组织、力学性能和摩擦学性能的影响。并进行了 对l a - ti - s n 三元系合金相图2 0 0 等温截面的研究。 结果表明，在t i - s i 共晶合金中加入微量r e 可以明显改善合金的微观 形貌，提高合金的强度、硬度、抗变形能力和塑性等。但旺含量过高会导 致合金组织恶化与性能降低。添加微量轻稀土元素对合金组织的改善能力 和对强度、硬度等性能的提升能力都优于重稀土元素，但塑性则是添加重 稀土元素时增加较多。在t i - s i 共晶合金中添加a i 并没有改变铸态合金的 成分，但是生成了固溶相q - t i ( a i 。s j ) 和t i 。( s i 。a i ) s 。a i 的加入减小了共 晶团的大小和体积分数，并产生了粒状和条状的t i 。s i ，颗粒使合金的强度、 抗变形能力和硬度显著增加，且远优于添加稀土的t i - s i 共晶合金。 t i - s i - a i 合金中a i 含量小于或等于8a t 时，合金的塑性较高。 t i s i 共晶合金的磨损机制是由不同取向的共晶团界面处产生微裂纹 t i s il 合全力学，l 攘掌佳麓a 相田研究 并沿晶界生长导致脆性分层。a i 的加入产生了连续分布的d - t i ( a l ，s i ) 基体围绕在t i 。s i 。颗粒周围，显著地提高了合金的塑性、耐磨性和摩擦稳定 性。 通过对8 0 个合金试样的分析得出了与多元钛合金开发密切相关的 l a _ ti - s n 三元系合金相图2 0 0 c 等温截面。结果表明它由13 个单相区、2 3 个两相区和1 1 个三相区所组成。验证了t i 2 s n 。的存在，并证实了在本实验 条件下l a 。s n 。和l a ：s n 3 是不存在的。在整个实验过程中没有发现未知的三 元化合物。 关键词：t i - s i 共晶合金l ag da 1 显微组织力学性能摩擦学行 为l 矿t 卜s n 三元系相图 本工作得到教育部科学技术研究重点项目( 2 0 7 0 8 5 ) 、广西“新世纪十 百千人才工程”专项基金( 2 0 0 4 2 1 8 ) 和广西科学基金项目( 桂科自 0 6 4 0 0 2 2 。桂科青0 5 4 2 0 11 ) 联合资助 广蕾r 大掌硪士掌位髓文1 i s i 采合全力攀l 攥掌佳能及相田研究 a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t r i b o l o g i c a lb e h a n o ra n dt e r n a r y p h a s ed i a g r a mo ft i s ia l l o y sw i t hd i f f e r e n t a l l o y i n ge l e m e n t s a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r eo ft i - s ia l l o y si so b s e r v e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es i z e a n ds h a p eo ft h ee u t e c ：t i cc e l l sw e r eb e t t e rt h a nt h eh y p e r e u t e c t i ca l l o ya n d h y p o e u t e c t i ca l l o y t h es i l i c i d es e p a r a t e do u tf r o mc a s tt i s ia l l o y s w a s a n a l y z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e m i c r o s t m c t u r eo ft h ec a s t r i s ie u t e c t i ca l l o yi sc o m p o s e do fa t ia n dt i s s i 3 t h em i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f i a c t u r em e c h a n i s m sa n d v i c k e r sh a r d n e s so ft i s ie u t e c t i ca l l o yw i t hd i f f e r e n ta l l o y i n ge l e m e n t sw h i c h a r ea ie l e m e n ta n dr e a re a r t h so 逻) l aa n dg d , w e r es t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tr ee l e m e n t sc a r lt r a n s f o r mt h es i z eo ft h ec o l o n i e se v i d e n t l yf m e , a n ds ia t o m si nt i s s i 3p h a s ew e r ep a r t i a l l ys u b s t i t u t e db yr ea t o m sw h i c h r e s u l t e di nt h ef o r m a t i o no fn e ws i l i c i d et i s ( s i ，r e ) 3p h a s e s a ie l e m e n tc h a n g e s t h em i c r o s t r u c t u r ef r o ml a r g ee u t e c t i cc e l l st h a tc o n s i s to fl a y e r e dt a b l e tp h a s e s t i s s i 3a n da - t it on e a r - e q u i a x e do rr o d l i k et i s s i 3p a r t i c l er e i n f o r c e dc o m i n u o u s a - t i ( a j ，s i ) s o l i ds o l u t i o n s t h ec o m p r e s s i v ed u c t i l i t ya n ds t r e n g t ho ft i - s i l 广r 犬掣唾士掣啦论文 t i s ij l 蕾1 曾力，掌、：，掌佳麓及相田研究 e u t e c t i ca l l o y sw i t hl i t t l er e ( o 0 2 5a t ) a tr o o mt e m p e r a t u r ew e r ei m p r o v e d v i c k e r sh a r d n e s so ft i - s ie u t e c t i ca l l o y sw i t hl aw e r ea l s oi m p r o v e d t h e s t r e n g t ha n dh a r d n e s s o ft i s i - a i a l l o y s w e r ei n c r e a s e d h o w e v e r , t h e c o m p r e s s i v ed u c t i l i t yw a s r e d u c e d t h ee f f e c to fa ie l e m e n ta l l o y i n go nt h et r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro ft i s i e u t e c t i ca l l o y sh a v eb e e ns t u d i e d t h ee x p e f i m e n m lr e s u l t ss h o wt h a tt h e m i c r o s t r u c t u r a lc h a n g eg r e a t l yi m p r o v e st h ed u c t i l i t ya n dr e d u c e sb r i t t l ef r a c t u r e o fm a s s i v es u p e r f i c i a lm a t e r i a l sd u r i n gw e a rp r o c e s s m i e r o p l o u g ha n dl o c a l d e l a m i n a t i o na r et h em a i nw e a rm e c h a n i s m so f a l 一a d d e dt i s ia l l o y s t h e r e f o r e ， t h ew e a rr e s i s t a n c ea n df r i c t i o ns t a b i l i t ya r es i m u l t a n e o u s l yi m p r o v e d t h ep h a s er e l a t i o n s h i p si nt h el a - t i s nt e r n a r ys y s t e ma t2 0 0 ch a v eb e e n i n v e s t i g a t e dm a i n l yb ym e a n so f x - r a yp o w d e rd i f f r a c t i o n ( x r d ) w i t ht h ea i do f s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o v oa n dd i f f e r e n t i a l t h e r m a la n a l y s i s ( d t a ) t h ei s o t h e r m a ls e c t i o nc o n s i s t so f1 3s i n g l ep h a s e r e g i o n s ，2 3b i n a r yp h a s er e g i o n sa n d11t e r n a r yp h a s er e g i o n s ab i n a r y c o m p o u n dt i 2 s n 3i sc o n f i r m e d t h e r e f o r e ，t h e r ea r e1 0b i n a r yc o m p o u n d se x i s t i nt h es y s t e mi na l l ，w h i c ha r el a 5 s n 3 ，l a 5 s r l 4 ，l a s n ，l a ，s n 5 ，a n dl a s n 3 ，t i 3 s n , t i 2 s r l ，t i s s n 3 ，t i 6 s n 5a n dt i ：s n 3 n ot e r n a r yc o m p o u n di sf o u n di nt h ew o r k k e yw o r d s ：t i s ie u t e c t i ca l l o y ；l a ；g d ；a i ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a l p r o p e r t y ；t r i b o l o g i c a lb e h a v i o r ；l a - t i s n ；p h a s er e l a t i o n s h i p 1 v ，蕾r ，叫煳士掌位论文 t i s i 蠢奋童力掌、事攥掌佳能反相田研究 t h i sw o r kw a sj o i n t 眵s u p p o r t e db yt h ek e yp r o j e c to fc h i n am i n i s t r y o fe d u c a t i o n ( 2 0 7 0 8 5 ) ，g u a n g x is p e c i a lf u n df o rd e v e l o p i n ga c a d e m i c l e a d e r si nt h en e wc e n t u r y ( 2 0 0 4 2 1 8 ) ，g u a n g x is c i e n c ef o u n d a t i o n v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 。 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 僦撇卅。芬牟 卅年5 月巧日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下。学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名吲j 畔导师建名：计硼年歹月玎日 广蕾r 大掣嘎士掌位论文t i - s il 奢童力掌。l 攘掌性能反相田研究 第一章绪论 1 。1 引言 金属元素钛在地壳里的分布范围比较广泛，据推算和估计，其含量是地壳质量的4 还要多一点，世界储量约3 4 亿吨，在所有元素中含量居第十位，在金属世界里排行第 7 l 。钛的熔点较高，同时兼有钢( 强度高) 和铝( 质地轻) 的优点。高纯钛具有良好的 塑性，高温能保持比较高的比强度，在低温下仍具有良好的力学性能：强度高，保持良 好的塑性和韧性。钛有极高的抗蚀性，在海水中抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都 好。钦与氧形成高化学稳定性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极 高的抗蚀性。 但是，纯钛的力学性能和耐磨性都不能完全达到实际应用的需要，因此大力发展钛 合金的研究成为近些年各国的热门课题。钛硅合金的出现解决了钛合金熔点高，流动性 差的问题，并且由于其良好的力学和摩擦学性能，越来越引起各国的关注。 中国是一个钛资源十分丰富的国家，目前已探明的钛资源储量为8 7 亿吨左右，占 全世界已探明钛矿产总量的4 8 2 1 ，从资源角度来讲，中国有着发展钛工业良好的物资 保证和先决条件。因此加强对钛和钛合金的研究力度就显得尤为重要。 1 2 钛合金的特点与应用现状 1 。2 。1 钛合金的特点 纯钛的力学性能和耐蚀性都较好，但是作为结构材料使用还不能完全达到要求，因 此在钛中加入合金化元素以提高其各项性能就成为十分重要的问题。一般的钛合金力学 性能都优于纯钛，并具有高温使用性能，其比强度明显高于纯钛，但是塑性明显降低， 因此可加工性降低。目前钛合金的生产以变形钛合金为主，变形钛合金零件的生产费用 高，有些形状复杂的零件也难以制造。近几年来，为了降低形状复杂的钛件费用，各国 都大力开展钛铸件的研究和生产，以取得一定成果。铸造钛合金的性能与合金6 锻造状 态的性能相近，具有较好的抗拉强度和断裂韧性，其持久强度和蠕变强度与变形合金相 广。曹，“煳士掌位谶文t i s i 蓉合套力掌、辜，掌性能反相田研究 近，只是由于组织粗大，塑性约比变形状态低4 0 4 5 ，同时疲劳强度也较低【3 1 。钛 合金难熔而且化学活性高，是影响其铸造工艺和铸件质量的主要问题。液态钛非常活泼， 能与气体和几乎所有的耐火材料起反应，故其熔化和浇注都必须在惰性气体保护下或真 空中进行。所以铸造钛合金的成本仍然较高，质量也有待进一步提高。因此，选择何种 合金化元素以及铸造工艺的改进就显得尤为重要。 1 2 2 钛合金的应用现状 钛合金由于其密度小、比强度高、耐蚀性好等特点已经广泛应用于宇航、化工、医 疗、汽车等工业领域。 ( 1 ) 航空航天和军事上的应用 钛合金在航空航天上的应用，主要是利用其优异的综合力学性能、低密度以及良好 的耐蚀性，比如航空构架要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。而钛合 金的优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。 上述航空航天方面的用途中，包括了军用和民用两部分。在其他军事用途中，还包 括用于导弹、航海，精密机械等柳。 ( 2 ) 化工、汽车及畿源等工业上的应用 钛合金在化工等部门中的作用，取得了良好的技术经济效果。这些部门使用的钛铸 件主要是耐蚀泵、阀门、叶轮，它们大部分是在腐蚀性很强的液体介质中运转。在腐蚀 性气体介质中使用的风机也装配铸造钛合金叶轮【5 】。 在汽车工业中钛合金可用做发动机阀门、轴承座、阀簧、连杆以及半轴、螺栓、紧 固件、悬簧和排气系统元件等。汽车工业是一个潜力巨大的钛制品市场，多年来发展缓 慢，主要因为钛合金产品价格太高。今年来随着钛合金技术的改进，回收材料充分地使 用，使得很多钛制品生产成本逐年下降，在当前汽车市场上，豪华汽车、跑车和赛车需 求逐年增加，可望促进钛用量的增长【6 】。 ( 3 ) 日常生活领域的应用 钛合金在运动器械上，如自行车，摩托艇、网球拍和马具上都获得了应用，但它们 的规模和影响，都不能与高尔夫球头相比拟。目前高尔夫球头钛合金精铸件的制造，已 经形成具有一定生产规模的产业m 。 铁合金具有良好的生物相容性和耐腐蚀性。在用于人体硬组织修复的金属材料中， 钛的弹性模量与人体组织最接近，这可以减轻金属种植体与骨组织之间的机械不适应 2 广冒大摩啊i 【一t 掣啦论文t i s i 秉自喧力掌，掌舞掌性能及相田研究 性。钛的热导率仅为金合金的1 1 7 ，与其他合金相比，钛制嵌体、全冠等具有保护牙髓、 避免冷热刺激的作用。鉴于钛合金的优点，钛合金的研究已成为牙科应用合金研究的一 个热剧8 l 。 此外，钛合金还可用于照相器材、手表、建筑物和珠宝业。 1 3 t i - s i 共晶合金的特点、研究现状与应用前景 目前的铸造钛合金，大多使用包含稀土元素在内的多种元素进行合金化，从而使材 科成本居高不下。而国内铸造钛合金种类单一，9 0 以上的铸件都使用m 6 m 4 v 合金， 远不能满足宇航工业对材料的低本、高强度、耐蚀好、抗燃烧、耐高温以及铸造工艺对 材料的铸造性能的要求【9 1 。 1 3 1t i - s i 共晶合金的优点 f n s i 二元系一问世就显示出它优异的铸造合金特性，早已被金属界所瞩目。由于 砸s i 共晶系合金熔点低( 共晶成分的合金熔点仅为1 3 5 0 ) 、结晶区间小、流动性好， 弥补了传统铸造钛合金的熔点高( 1 6 8 0 ) 、耗能多、结晶区间宽、铸件易形成疏松或 缩孔的缺陷。 驴 三 置 昌 毒 t o m i ep 盯e o n t 筠l i 咖 图卜1t i - s i 二元相图 f 皓1 - 1a p h a s ed i a g r a mo f n 砖啊- s is y s t e m “j 3 产西大学习n b 掌位能文t i s i 蓉音童力掌1 捧掌佳麓覆相田研究 n s i 系共晶合金的铸造性能可与铸铁和铝硅合金相媲美，而物理力学性能却远远超 过它们。该合金的合金化元素少、成本低。由韧性相的钛基体组成，为陶瓷性质的t i 5 s i 3 相与阻n 共晶结构所强化埘，而后经共析转变成a ( 见图1 1 ) 。f n s i 合金系在1 3 3 0 和8 5 吼s i 时发生共晶反应： ( n - s i ) l 一1 什n 5 s h m s i 共晶合金中的n 5 s i 3 相是难熔金属间化合物，它首先由p i c n d k w s h y 和d l i l w 盯 在1 9 5 1 年观察n t 翻。它具有着六边形d 8 8 结构，a 卸7 4 6 4 n m ，e - - 0 5 1 2 6 咖，由2 6 0 3 ( 3 7 5 a t 。) 的s i 组成，熔点为2 1 3 0 ，当量组分的密度为p = 4 3 2 咖m 3 ，硬度大约为 ( 9 6 8 士3 0 ) i - i v t l 3 1 。虽然人们希望利用这种材料的高强度性能，但是单相n 5 s i 3 合金在 1 2 0 0 1 4 0 0 k 时，有1 个b d 下转变。该合金的b d t 被定义为有限塑性的开始，b d t 的发生很明显是在开始生成脆性相n 5 s i 3 时候1 1 4 】。尽管如此，n 5 s i 3 本身作为复合物基 体已经获得了高温应用。并开发了多种合成t i 5 s i 3 的方法，如电弧熔炼s h s 、爆炸紧实、 震动合成、机械合金化后压力烧结反应热压、粉末冶金，并研究币5 s i 3 颗粒的硬度、断 裂韧性等机械性能。对n 5 s i 3 氧化性进行的研究发现，在溶解度范围内合金化( 砸5 s i 27 5 3 2 6 ) 可以提高其抗氧化性嘲。 钛硅共晶合金既有陶瓷材料的热物理特性，又有优于陶瓷的耐冲击特点。在这一合 金体系中可望制备出热强、酎热和抗裂等合金。可以预料，钛硅共晶合金是最具应用前 景的铸造钛合金，开展钛硅系共晶合金的研究将有着划时代的意义。 1 3 2t i - s i 共晶合金的研究现状 n s i 系共晶合金作为可实际应用的合金研究，在国际上则只是刚刚起步。m a 3 y p b h 教授和乌克兰国家科学院院士k 酗佃腰n 、h i o t a p a u ，他们是前苏联共晶合金研 究的主力，曾在f c 和m s i 两大共晶系作出了举世瞩目的成就。近年来该研究组将注 意力集中在“t l l l c a a ”合金的研究上。他们发展了新型高强度和耐热钛基合金的家族 面越m n - s i 、n a 1 m n - s i - z r 、面越m n - s i c r - m o 。这些合金增加强度的主要分布是用 了陶瓷组分钛的硅化物( 初晶豇5 s i 3 ) 。并指出所研究的合金按基体的类型分是属于 a 邮型合金。金属基体的片状形态学造成相的重结晶即为p a 。每1 个基体晶粒由相同 取向的细长片状a 相组成( 在一个晶粒范围内) 。a 相间相互隔着细薄的残余片状d 相。 强化相为初生的和共晶的硅化钛( 取决于合金中硅的含量) ，以及析出的细小弥散的金属 问化合物n c r 2 、丽( f e ，c r ) 。这种合金的共晶形态学是共晶型合金所特有的。在此，原 4 广西，叫蚌司睦摩啦论文t i s i 纛合童力掌、l 擦掌佳麓反相固研究 子间键具有强烈方向性的相起着强化和主导共晶结晶的作用( 在这种情况下是t i s s i 3 相) 。共晶体( t i 5 s i 3 + b ) 和耐磨的白口铸铁中奥氏体碳化铬共晶体相似。这样，可以预 测所研究的合金有很好的耐磨性。化学成分主要影响硅化物共晶体的数量、片状a 相间 的b n 薄片厚度以及a 晶粒内或在原始p 晶界上析出的金属间化合物的数量和化学成 分。该合金在逐渐增加静态载荷时，可靠程度高，可用于工程中热量高速释放的内燃机 零件等方面【1 6 1 。c h u m b l e y 等人利用t e m 研究了啊s i 合金淬火后回火过程中t i s s i 3 ( ) 的析出晶体学。观察到两种形式的硅化物，每种母相( c t ) 都有着独立的取向关系。高 温下( t 9 7 3k ) ，六边形析出相以正方形截面的棒状出现，棒状轴( 1 2 1 3 ) 几乎平 行于( 1 2 1 0 ) n ，并且在转变过程中几乎不变；低温时( t = 7 7 3 8 7 3 k ) ，析出相有着 与母相基底片层平行的六边形片状。母体与析出相有着共同的六次轴。另外，他们通过 激光表面熔融和熔融离心铸造的快速凝固( r s ) 研究了一些n s i 合金。在合金基体中， 温度为7 7 3 1 0 2 3 k 时，平衡态硅化物是砸5 s i 3 。然而它是亚稳定的，在7 7 3 1 0 2 3 k 热 处理时会发生分解，形成由a - t i 和5 s i 3 组成的平衡组织。经测试共晶和过共晶合金的 铸态组织发现，电弧熔炼时，这两种合金都表现为共晶组织：a - t i 母相中存在棒状t i s s i 3 。 激光表面熔融得到的r s 组织变化不会太大。铸态和r s 组织明显不同在于：a 相( 铸态 亚共晶合金中可见的) 向a 相的转变；r s 合金中不存在介稳相t i s s i 3 以及铸态组织的整 体细化【17 ，堋。l a v e u e 尝试了从熔液中拉拔单晶技术( c z o c h r a l s - k i 法) 制备有排列取向 的纤维状面n 5 s i 3 共晶合金。并报导了所获材料的结构、机械性能( 拉伸试验) 和断口 组织特征【1 9 1 。f r o m m e y e r 等人研究了难熔金属间化合物t i s s i 3 复合物和单向凝固共晶 币n 5 s i 3 合金的组织和性能。确定了与物理和机械性能相关的温度，在考虑了结构参数 的前提下，讨论了合金的热膨胀系数、杨氏模量、硬度、抗蠕变强度和断裂韧性。 1 3 3t i - s i 共晶合金的缺点 n s i 共晶合金的不足之处在与于室温塑性较差，因此，提高西一s i 共晶系合金的室 温塑性成为研究该合金的关键问题。提高共晶合金塑性和强度常用的方法是微合金化， 通过改变其凝固行为和微观组织，来达到改善力学性能的目的。本文研究了稀土和铝等 元素对面s i 共晶合金的微合金化作用。 1 3 4t 卜s i 共晶合金的应用前景 钛合金是新世纪中宇航材料的重要发展对象之一，铸造钛合金将会取得突破性的进 展。而面s i 共晶合金有着良好的铸造性能和机械性能，已经引起人们的关注。随着n s i 5 ，j 调乒卸n b 学位键文t i s i 蓉奇金力掌：，鼻掌性麓a 相田研宠 共晶变质处理工艺和合金化设计的突破，m s i 共晶合金将成为又一广泛应用的共晶合 金。有人预言，砸s i 共晶合金将是继f e c 合金和a 1 s i 合金之后的第三大共晶合金。 1 4 钛基材料的合金化研究 1 4 1 合金化原理的应用 根据对b 转变温度的影响，钛的合金化元素可分为中性元素、a 相稳定化元素和p 相稳定化元素。a 相稳定化元素将a 相区扩展到更高的温度范围，而b 相稳定化元素则 使b 相区向较低温度移动。中性元素对p 转变温度的影响很小。 在a 相稳定化元素中，是最重要的合金化元素。它除了将a 相区扩展到更高温 度以外，还形成了叶p 两相区。p 相稳定化元素可以细分为p 同晶型元素和p 共析型元 素。b 同晶型元素( 如m o 、v 和t a ) 由于在钛中的溶解度高得多而非常重要。另一方 面，即使存在非常少量的( 体积分数) b 共析型元素( 如f e 、m n 、c r 、c o 、n i 、c u 、 s i 和h ) 也可以形成金属间化合物。s n 和压由于对a b 相界( 几乎) 没有影响，因此 被看作中性元素。但就强度而言，s n 和z r 可以显著强化口相，因此不再是中性元素刚。 钛合金的性能主要取决于两个因素：化学成分和显微组织。 钛合金的化学成分是决定a 相和b 相的性能以及体积分数的主要参数。由于密排六 方晶体结构的变形能力有限，所以a 相的塑性低于体心立方结构的b 相。a 相的扩散系 数比8 相低两个数量级以上，所以合金的抗蠕变性和抗氧化性随着铝含量的增加而提高， 同时其塑性变形能力下降。因此，开发新的合金时合金元素的铝当量不得超过钙。否 则，合金将析出导致合金脆化的金属间化合物鸭舢，影响钛铝基合金应用的主要障碍 之一是其室温脆性【2 1 1 。 s i 、s n 、z r 和间隙原子氧可以强化旺合金，s i 原子趋向于在位错附近偏聚，可以有 效阻止位错攀移，从而提高合金的抗蠕变性能。乃能使细小的硅化物析出相均匀分布。 m o 、v 和n b 对p 相具有中等的固溶强化作用。在亚稳态p 合金中，细小的析出相可 以有效强化b 相。遗憾的是，在获得高强度的同时常常牺牲塑性。n b 可以提高钛合金 的抗氧化性能，而添加少量的p d 可以显著提高钛合金的抗蚀性。 1 4 2t i - s i 共晶合金的稀土合金化 1 4 2 1 稀土元素的性质与作用 6 广西大学_ 甄士掌位论文t i s i 熏奢金力掌1 馨掌性艟覆相田研究 稀土元素包括钪、钇和镧系共1 7 个元素，它们属于i i i b 族，具有较高的化学活性。 稀土元素共有以下几种重要作用吲： 由于稀土金属的高活泼性，能脱去金属液中的氧、硫及其他有害杂质，起净化金属 液的作用：控制硫化物及其他化合物形态，起变质、细化晶粒和强化基体等作用。因此， 可利用混合稀土金属、稀土硅化物及稀土有色金属中间化合物等来炼制优质钢、延性铁 和有色金属及合金材料等。 稀土元素独特的磁性能，可以制备现代工业和科技发展需要的各类磁性材料。稀土 磁性材料包括稀土永磁材料、磁致伸缩材料、巨磁阻材料、稀土磁光材料和磁制冷材料 等。 稀土的发光和激光性能都是由于稀土的4 f 电子在不同能级之间的跃迁产生的。由于 稀土离子具有丰富的能级和4 f 电子跃迁的特性，使稀土成为发光宝库，为高技术领域特 别是信息通讯领域提供了性能优越的发光材料和激光材料。 1 4 2 2 稀土元素在金属中的作用 ( 1 ) 减轻非金属杂质的有害影响 氢是钢和铝合金的有害杂质，溶入液态金属的氢凝固时以原子态析出，聚集成分予， 导致出现晶间裂纹、疏松和针孔等氢致缺陷，给铸造、塑性加工和性能带来严重危害， 实验表明铝及其合金中加入适量稀土( o 1 0 3 ) 将明显的降低氢的含量，起到减少 氢的危害作用提高合金的性能，此外稀土金属也有降低铝中硫和氧含量的效果，反应生 成的稀土化合物熔点高、比重轻、上浮成渣，而它们的微小的质点则成为铝结晶过程的 异质晶核； ( 2 ) 细化晶粒和枝晶组织，提高热塑性 稀土可细化合金的铸态组织，使枝晶网络更为清晰，从而改善合金的热塑性，稀土 化合物微小的固态质点提供了异质晶核或在结晶界面上偏聚阻碍晶胞的长大，为金属液 体结晶细化提供了较好的热力条件； ( 3 ) 改变夹杂物的形态和分布 稀土与杂质形成化合物，在晶界析出，改变了原来的固溶存在方式，使夹杂物量降 低； “) 产生强化作用 稀土加入合金中使氢氧和夹杂物量降低，又细化了晶粒和枝晶网络，稀土与非金属 元素作用产生高熔点的化合物弥散于基体中，稀土与金属元素生成高熔点的金属间化合 7 广西大掌硪士掌位论文t i s i 熏青童力掌、l 攘掌佳能夏相田研究 物，即消除粗大块状组织，又稳定晶界，这些都起到了提高材料强度的作用； ( 5 ) 稀土的引入提高了含稀土合金材料的耐腐蚀性和抗高温氧化性能 稀土元素的加入在铸造、锻造、焊接、熟处理及表面涂层技术中也作了一些研究， 许多都取得了正的效应，但稀土元素在这些热工艺过程中及制件中的作用机理有待进一 步开发研究。 1 4 2 3 稀土合金化在t i - s i 共晶合金中的应用 在钛基合金中加入少量稀土后，可以明显细化晶粒，改善材料的机械性能、加工性 能、焊接性能和耐腐蚀性能。例如，在t i - a l - v 合金中加入0 0 5 0 4 y 可以提高合金 的强度；加入0 0 5 y 和0 1 z r ，可以改善加工性能，显著减少合金在轧制过程中的裂 边现象。在工业纯钛中加入1 l a j 岳，低温韧性提高一倍；加入1 8 l a 后，在1 9 0 1 8 0 0 c 的范围内，抗张强度提高5 0 ，加入0 1 s m ( - z j y ) ，抗张强度增加幅度更大；若加入 0 1 o 6 c e 和l a ，或它们的硫化物，使合金具有较好的高温耐腐蚀性能；加x , 0 o l 0 0 3 y ，合金的耐腐蚀性能得到更明显的提高圈。 因此在本课题中，希望通过在t i s i 共晶合金中加入稀土元素作为合金化元素，使合 金的组织均匀并使晶粒细化，以提高t i s i 共晶合金的力学性能和耐腐蚀性能。 1 4 3a i 作为合金化元素对t i - s i 合金的影响 a l 是最广泛采用的、唯一有效的a 稳定元素。能提高b 相变温度的元素，称为a 稳定元素，它们在周期表中的位置离n 较远，与丽形成包析反应。这些元素的电子结 构、化学性质与n 的差别较大。n 中加入舢，可降低熔点和提高p 转变温度，在室温 和高温都起到强化作用。此外，加越也能减小合金的比密度。含a l 量达6 7 的钛 合金具有较高的热稳定性和良好的焊接性。添加a l 在提高p 转变温度的同时，也使p 稳定元素在a 相中的溶解度增大。因此舢在钛合金中的作用类似于碳在钢中的作用， 几乎所有的钛合金中均含。 a l 原子以置换方式存在于n 相中。当m 的添加量超过a 相的溶解极限后，会出现 以鸭为基的有序毗固溶体，使合金变脆，热稳定性降低。因此，钛合金对舢的最 高含量一直有限制。随着材料科学的发展，业已发现面a l 系金属间化合物的密度小， 高温强度高，抗氧化性强及刚性好，这些优点对航空航天工业具有极大的吸引力。a l 含量分别为1 6 及3 6 的t i 3 a 1 和豇m 基合金，是很有前途的金属间化合物耐热合金。 t i a l 金属间化合物基合金因其低密度、高弹性模量和优异的高温性能成为目前最有希 8 j p - 西大掌硕士掌位键吁 t i s i 曩奢童力掌1 攘掌佳艇反相田研究 望的新型高温材料之一，可望在航空和航天器动力系统中得到应用嘲。 本课题希望通过在t i - s i 合金中添加使合金的强度、抗氧化性和耐磨性得到提高。 1 4 4 其他合金化元素 除了上述合金化元素外，s n 、c r 、n b 等金属添加在t i - s i 合金中也有很好的效果。 s n 属于中性元素，对a b 相界几乎无影响，但是就强度而言，s n 可以强化a 合金。 c r 属于p 慢共析元素，它的加入，使钛的1 3 相具有很慢的共析反应，反应在一般冷 却速度下来不及进行，因而b 慢共析元素与p 同晶元素作用类似，对合金产生固溶强化 作用。但是其在高温长时工作条件下，b 相容易发生共析反应，因而合金组织不稳定， 蠕变抗力差。 n b 属于b 同晶元素，在周期表上的位置靠近钛，具有与p 钛相同的晶格类型，能 与p 钛无限互溶，而在g 钛中具有有限溶解度。由于其晶格类型与p 钛相同，它能以置 换的方式大量溶入8 钛中，产生较小的晶格畸变，因此n b 在强化合金的同时，可保持 其较高的塑性。含n b 的钛合金，不发生共析或包析反应而生成脆性相，组织稳定性好。 但这样又会降低材料的高温强度和蠕变抗力。 1 5 钛合金摩擦学 1 5 1 摩擦学原理 按磨损的失效机制，一般可以将磨损分为黏着磨损，磨料磨损、腐蚀磨损、微动磨 损和表面疲劳磨损五类f 5 2 1 。在解决实际磨损问题时，要分析参与磨损过程各要素的特性， 找出有哪几类磨损在起作用，而主导作用的磨损又是哪一类，进而采取相应的措施，减 少磨损。 耐磨性是材料抵抗磨损的一个性能指标，可用磨损量来表示。表示磨损量的方法很 多，可用摩擦表面法向尺寸减少量来表示，称为线磨损量；也可用体积和重量法来表示， 分别称为体积磨损量和重量磨损量。还经常用相对耐磨性( ) 表示所研究材料的耐磨 性，见式1 1 。 g = 器燃 - ， 9 2 丽酥泳丽 1 以 磨损实验方法可分为零件磨损试验和试件磨损试验两类。前者是以实际零件在机器 ，霄，叫啦习n b 掣啦论文t i s i 采奢金力掌i ，鼻掌任滟磊相田研究 服役条件下进行试验。这种试验具有真实性和实用性，但其试验结果是结构、材料、工 艺等多种因素的综合反映，不易进行单因素考察。后者是将待试材料制成试件，在给定 的条件下进行试验。它一般用于研究性试验，可以通过调整试验条件，对磨损的某一因 素进行研究，以探讨磨损机制及其影响规律。 有代表性的磨损试验机包括圆盘一销式磨损试验机、滚子式磨损试验机、往复运动 式磨损试验机、砂纸磨损试验机和切入式磨损试验机等。 干滑动摩擦测试中磨损量的测量有称重法和尺寸法两类【5 3 1 。称重法是用分析天平称 量试样在试验前后的重量变化，来确定磨损量。它使用于形状规则和尺寸小的试样和在 摩擦过程中不发生较大塑性变形的材料。尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化 来确定磨损量。为了便于测量，在摩擦表面上选一测量基准，借助长度测量仪器及工具 显微镜等来量度摩擦表面的尺寸。 对磨损产物磨屑成分和形态进行分析，是研究磨损机制和工程磨损预测的重要 内容。可采用化学分析和光谱分析方法，分析磨屑的成分。 1 5 2 钛合金摩擦学研究现状 钛合金具有高的比强度、比模量，良好的抗氧化性、抗蠕变性，优良的高温强度、 刚度及低的密度，是一种很有前途的高温结构材料。它的应用将使航空和航天事业出现 一个极大的变革和进展。其缺点是硬度低、耐磨性能差，当用作滑动部件时，易产生磨 损。钛合金表面易发生氧化，生成t i 0 2 氧化膜，该氧化膜在摩擦接触中易发生剥落，因 此必须对钛合金进行表面改性处理。 t 认1 合金已发展出三代合金，目前正处于快速发展和即将应尉的关键时期明。因 此摩擦学行为的研究正在引起重视。b l o y c e 嘲关于这些材料的硬度和磨损性能的最初研 究表明与传统的钛基合金相比，这类材料的硬度低，耐磨性较差。a 1 乙r a s t k a r 等 2 7 1 进 行了t i - 4 8 a i - 2 n b - 2 m n 和t i - 4 5 a 1 - 2 n b - 2 m n - i b 与轴承钢配副时的干滑动摩擦试验，其摩 擦系数在0 7 左右并有较高的磨损。j u n j is u g i s l l i t a 等网对t l m 1 7a t m n 合金与w c c o 的干滑动摩擦学研究表明，其摩擦系数和磨损率随p v 值增大而降低，摩擦系数在0 4 o 7 ，磨损率为1 0 4 咖3 咖。i n - 1 的数量级范围，这也表明在干滑动下t i a i 具有较高的摩 擦系数和磨损率。t i a i 的磨损机理与其组成有关，丸1 lr a s t k a t 等鲫的研究表明， t i 4 8 a i 2 n b 2 m n 比t i - 4 5 a 1 2 n b - 2 m n - l b 的摩擦和磨损都要低一点，且它们的磨屑完全 不同，t i - 4 5 a 1 - 2 n b - 2 m n - l b 中t i b 2 打断了基体材料的层状结构，在t i b 2 与基体界面处容 1 0 广曩大掣嚏士掣啦论文t i s i 曩合量力学1 攘掌性艇a 相田研究 易产生裂纹并很快蔓延以致造成碎裂，产生的不均匀尖棱状磨屑在滑动过程中可能彼此 聚集和粘着，因而产生较高的摩擦和磨损。 由于t i a i 金属间化合物在干摩擦下具有较高的摩擦和磨损，要想将其应用到运动部 件中还必须进行减摩和抗磨处理。为了降低摩擦和磨损，j u n j is u g i s h j 协等也研究了多 级油润滑下的t i a i 的摩擦学行为，其摩擦系数可降为0 0 3 o 0 8 ，并且随p v 值的增大， 摩擦系数变化同干摩擦时的情况相同，磨损率比干摩擦状况下的磨损率也大幅下降，当 p v 值小于4 0 0 时该材料具有极低的磨损，但当p v 值大于4 0 0 时，由于发生了疲劳磨损而 使其磨损率有较大增加。 t i a i 金属间化合物主要将作为高温结构材料使用，而在高温下用液体润滑进行减摩 和抗磨是不能实现的 2 9 , 3 0 。因此王华明等【3 1 1 用激光气体合金化对1 认l 进行表面改性，在 t i a l 合金表面原位地制得高硬度耐磨氮化钛为增强相的复合表面改性层，最近他们网 用这种技术制得了t i m 金属间化合物的n i c r - c r 3 c 2 - a g - c a f 2 j b a f 2 高温自润滑抗磨复合涂 层。在室温下进行的滑动磨损实验表明，其相对抗磨性是无涂层材料的1 6 5 2 。7 3 倍， 进一步的高温摩擦学研究正在进行中。日本的t n o d a 等 3 3 1 用等离子渗碳加强t i a l 金属问 化合物的表面硬度，经表面改性的t i a