钛合金加弧辉光渗镀铝提高高温氧化性及耐蚀性开题报告

校级科研立项钛及钛合金加弧辉光渗镀铝抗高温氧化及耐蚀性能研究

开题报告

项目负责人：戴景杰

所在学院：机电工程学院研究的目的及意义选题的背景研究内容内容开题报告研究方法及技术路线进度计划研究团体预期成果一选题的背景在工程材料实际应用中，损伤多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损对材料的表面结构和性能极其敏感，所以材料表面的结构和性能直接影响工程金属材料的综合性能指标。

金属材料制品损伤主要有腐蚀

磨损疲劳断裂高温氧化

损伤破坏带来的经济损失十分惊人。如腐蚀一项，据统计全世界钢产量的1/10由于腐蚀而损耗，1995年美国因腐蚀造成的损失达3000亿美元，而我国每年因腐蚀造成的损失至少达2000亿元，磨损造成的损失与之相近。

因此，在不降低金属材料整体性能的前提下，通过对材料的表面进行改性，提高材料及其制品耐腐蚀、耐磨损、减磨、润滑、抗高温氧化及抗疲劳性能，可以达到延长金属材料使用寿命的目的。基于工程需要，发展出了表面工程学科。一选题的背景表面工程技术成为当代世界十大关键技术之一。十大关键技术先进制造技术生物工程技术海洋工程技术新能源技术微电子光电子技术纳米技术表面工程技术新材料技术航空航天技术信息技术一选题的背景表面工程基础理论表面涂覆技术表面改性技术表面复合处理技术表面加工技术表面分析技术表面性能检测表面工程技术设计表面工程包括一选题的背景表面改性技术喷丸强化表面热处理化学热处理高能束表面改性等离子表面冶金技术激光表面合金化双辉渗镀技术加弧辉光渗镀技术固体、液体、气体真空渗碳离子渗镀

氮化

离子注入

一选题的背景一选题的背景比强度最高在高温和低温下都能保持高的强度无可匹敌的耐蚀性室温条件下不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸作用，在淡水和海水中有极高的抗蚀性资源丰富（仅次于O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg，列第九位）质量轻密度为4.5g/cm3，仅为钢的60%—空间金属、未来的钢铁Ti钛合金航空航天化工医疗海洋日常生活用品一选题的背景一选题的背景钛合金的主要缺点

硬度低、摩擦系数高

硬度低、摩擦系数高、易和其它材料发生粘着磨损，耐磨性差等。抗高温氧化能力差钛合金的抗氧化性能主要取决于在服役条件下表面能否形成致密的保护性氧化膜。高温钛合金Ti6Al4V中含有6%左右的铝不足以在表面形成连续致密的Al2O3氧化膜，氧化时形成由多孔的TiO2为主的氧化膜，抗氧化能力差。

一选题的背景对于Ti6Al4V合金，它的高温使用温度为300℃左右，近α钛合金的使用温度为600℃，γ-TiAl最高只能达到800℃左右。钛合金不高的抗高温氧化能力严重限制了其广泛应用。因此，提高钛合金的抗高温氧化能力就成了亟待解决的重大课题。——必须进行合适的改性处理提高钛合金抗高温氧化性能常用的措施：①基体合金化：合金元素的加入在一定范围内提高了钛合金的抗氧化能力，然而由于是整体加入，所加的元素不仅浪费严重，且影响了钛合金原来的一些力学性能。

②表面处理：通过在钛合金表面形成一层抗氧化涂层，合金的抗氧化能力由涂层来提供，而力学性能由钛合金基体来完成。因此，一方面大大地减少了抗氧化元素的用量，节省了资源；另一方面由于涂层的加入只对合金表面的化学成分有所改变，而钛合金的力学性能基本没有改变，因而是提高钛合金抗高温氧化性能最经济有效的方法。一选题的背景一选题的背景目前钛合金表面处理的方法：电镀、化学镀火焰喷涂和等离子喷涂

激光表面处理固态粉末扩散渗铝存在的问题：火焰喷涂和等离子喷涂——涂层组织粗大、孔隙率高(疏松)、与基体结合力差、容易开裂或剥落激光表面处理——设备昂贵，处理面积小，适用面小，产业化较困难固态粉末扩散渗铝——渗层室温较脆，长时间高温扩散费时、耗能，且渗剂的分解产物污染环境电镀与化学镀——处理液污染环境一选题的背景加弧辉光离子渗镀技术简介加弧辉光离子渗镀技术原理是在双层辉光离子渗金属装置中引入冷阴极电弧源，在被处理工件周围设置辅助源极，利用辉光放电空心阴极效应使工件迅速升温，它既是加热源又是欲渗元素的辅助供给源。同时在真空容器壁上设置一个或多个金属阴极电弧靶源,利用真空电弧放电引燃电弧源,不断地发射出高能量、高电流密度、高离化率的欲渗金属离子流，在工件负偏压的作用下加速到达工件表面，使工件进一步升温到渗金属的温度。依靠扩散和离子轰击作用快速渗入工件表面层，在工件表面可以形成渗层、镀层、渗镀结合层，也可以合成各种化合物薄膜。加弧辉光离子渗镀技术具有下列优点：（1）渗速极快，平均值为（300~700）μm/h。（2）工件形状不受限制，可在炉内任意排放。（3）工件可以转动，能实现均匀渗镀。（4）在金属零件表面可以合成特殊用途的薄膜（5）渗镀层成分呈梯度分布、硬度也呈梯度分布，不存在“膜基结合力”问题（6）合金渗镀层成分基本可控，成分变动范围大，这是许多传统渗金属方法所难以做到的。（7）无污染，工作条件好，节约能源。一选题的背景一选题的背景研究现状（一）加弧辉光离子渗镀技术目前已在碳钢、合金钢等表面成功地制备出抗蚀耐磨层。1）用加弧辉光离子渗镀技术在用A3钢制作的紧固件螺钉、螺母上进行渗钛，渗层厚度可达40μm左右，试件进行盐雾试验，结果表明，盐雾试验96h无锈斑，240h后有少量的腐蚀，证明抗蚀性能大大提高。2）利用加弧辉光离子渗镀技术在高速钢钻头、铣刀等工具表面镀TiN薄膜进行的工艺性能研究表明，耐蚀、耐磨性能大大提高，切削性能可提高4~6倍，表面金黄色也十分美观。一选题的背景（二）目前，在钛及钛合金表面加弧辉光处理中，有关提高耐磨及耐蚀性的研究较多。

1）对钛合金Ti6Al4V表面加弧辉光渗镀Cr-Ni后，表面硬度大幅提高，耐磨性优于离子氮化处理，并且具有高的抗含Cl-水溶液腐蚀性能。

2）在加弧辉光离子渗镀技术中利用高纯石墨制成冷阴极电弧石墨靶，对Ti6AI4V钛合金进行离子无氢渗碳，基材表面形成无氢且无结合强度问题的含有游离碳和TiC的扩散层，从减摩和抗磨两方面改善了Ti6AI4V的摩擦学性能，又避免了钛合金的氢脆问题，其摩擦系数降为0.08，减小了7倍多，和原材料相比较比磨损率减小了8倍，合金摩擦性能显著提高。但到目前为止，国内外有关钛及钛合金加弧辉光渗镀铝提高抗高温氧化性的研究报道较少。更为重要的是，利用加弧辉光离子渗镀技术对钛合金表面进行渗镀铝以提高其抗高温氧化性，可以扩展钛合金的高温应用领域，它的深入研究也必将开拓钛合金抗高温氧化的一个新的研究领域。一选题的背景二研究的目的及意义通过研究加弧辉光渗镀层的制备工艺、成分、组织结构、硬度、耐蚀性及高温抗氧化性能的研究，阐明渗镀层的形成机制、耐磨耐蚀及抗高温氧化机制，揭示渗镀层成分-工艺-组织-性能之间的内在联系，实现渗镀层制备工艺过程的调控。研究的目的研究的意义通过对金属钛表面改性的研究，有助于指导钛合金设计和延长钛合金的工程使用寿命，拓展金属钛的应用领域，并为钛及其合金的失效分析、表面纳米化和强化提供理论基础。二研究的目的及意义三研究内容（1）加弧辉光离子渗镀的制备工艺（2）渗镀层的厚度、成分、结构利用加弧辉光离子渗镀技术，在钛合金Ti6Al4V表面渗镀铝金属层，研究形成渗镀层的最佳工艺参数及影响规律。研究钛合金Ti6Al4V表面渗镀铝层的渗镀层厚度、成分分布、微观组织及与基体结合强度。（3）渗镀层的耐磨、耐蚀性能研究（4）渗镀试样的高温氧化性能及机制测试渗镀层的硬度，系统研究涂层在干滑动条件下的磨损特性；对渗镀试样的电化学性能进行测试；从微观层析上分析渗镀层的耐磨、耐蚀机理。对加弧辉光离子渗镀铝试样进行高温循环氧化试验，研究其高温抗氧化性能，对氧化机制和生长模式进行探讨。三研究内容

研究方法：对钛合金Ti6Al4V表面加弧辉光渗镀铝；综合利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、金相显微镜等手段对涂层的成分、微观结构及界面结构进行分析；在MS-3000摩擦磨损试验机、MFT-4000材料表面性能试验仪和CS350电化学工作站模拟不同工况进行磨损及腐蚀试验；采用SX2-12-10箱式电阻炉进行高温氧化试验；四研究方法及技术路线技术路线：四研究方法及技术路线利用扫描电子显微镜分析渗镀层表面形貌

探讨最佳工艺参数及其影响规律

利用材料性能试验仪检验渗镀层与基体结合强度

利用辉光放电光谱仪测定渗层成分分布

利用电化学工作站测定渗镀层的腐蚀极化曲线

利用箱式电阻炉测定高温氧化性能阐明成分-工艺-组织-性能间的内在规律，解决钛合金的高温氧化及耐蚀性问题五进度计划2010.3-2010.12

完成加弧辉光渗镀工艺实验，分析其影响因素及规律，得出最佳工艺参数2011.1-2011.6完成检测项目，完善工艺条件，发表论文1-2篇2011.7-2011.12整理实验结果，进行机理研究，