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

1、校校 级级 科科 研研 立立 项项 研究的目的及意义研究的目的及意义 选题的背景选题的背景 研究内容研究内容 开开 题题 报报 告告 研究方法及技术路线研究方法及技术路线 进度计划进度计划 研究团体研究团体 预期成果预期成果 一一 选选 题题 的的 背背 景景 在工程材料实际应用中，损伤多发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直接影响工程金属材料的综合性能指 标。标。 金

2、属材料制品损伤主要有金属材料制品损伤主要有 腐蚀腐蚀 磨损磨损疲劳断裂疲劳断裂高温氧化高温氧化 损伤破坏带来的经济损失十分惊人。如腐蚀一项，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据统计全世界钢产量的1/101/10由于腐蚀而损耗，由于腐蚀而损耗，19951995年美年美 国因腐蚀造成的损失达国因腐蚀造成的损失达30003000亿美元，而我国每年因腐蚀亿美元，而我国每年因腐蚀 造成的损失至少达造成的损失至少达20002000亿元，磨损造成的损失与之相近。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，通过对因此，在不降低金属材料整体性能的前提下

3、，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、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。程学科。 一一 选选 题题 的的 背背 景景 表面工程技术成为当代世界十大关键技术之一。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

4、航天技术 信息技术 一一 选选 题题 的的 背背 景景 表面工程基础理论表面工程基础理论 表面涂覆技术表面涂覆技术 表面改性技术表面改性技术 表面复合处理技术表面复合处理技术 表面加工技术表面加工技术 表面分析技术表面分析技术 表面性能检测表面性能检测 表面工程技术设计表面工程技术设计 表面工程包括表面工程包括 一一 选选 题题 的的 背背 景景 表表 面面 改改 性性 技技 术术 喷丸强化喷丸强化 表面热处理表面热处理 化学热处理化学热处理 高能束表面改性高能束表面改性 等离子表面冶金技术等离子表面冶金技术 激光表面合金化激光表面合金化 双辉渗镀技术双辉渗镀技术 加弧辉光渗镀技术加弧辉光渗镀

5、技术 固体、液体、气固体、液体、气 体真空渗碳体真空渗碳 离子渗镀离子渗镀 氮化氮化 离子注入离子注入 一一 选选 题题 的的 背背 景景 一一 选选 题题 的的 背背 景景 比强度最高比强度最高 在高温和低温下都能保持高的强在高温和低温下都能保持高的强 度度 无可匹敌的耐蚀性无可匹敌的耐蚀性 室温条件下不与氯气、稀室温条件下不与氯气、稀 硫酸、稀盐酸、硝酸作用，在淡水和海水中有硫酸、稀盐酸、硝酸作用，在淡水和海水中有 极高的抗蚀性极高的抗蚀性 资源丰富资源丰富 （仅次于（仅次于O、Si、Al、Fe、Ca、Na、 K、Mg，列第九位），列第九位） 质量轻质量轻 密度为密度为4.5g/cm3，仅

6、为钢的，仅为钢的60% 钛合金钛合金 航空航天航空航天 化工化工 医疗医疗 海洋海洋 日常生活用品日常生活用品 一一 选选 题题 的的 背背 景景 一一 选选 题题 的的 背背 景景 钛合金的主要缺点钛合金的主要缺点 硬度低、摩擦系数高、易和其它材料发生硬度低、摩擦系数高、易和其它材料发生 粘着磨损，耐磨性差等。粘着磨损，耐磨性差等。 钛合金的抗氧化性能主要取决于在服役条件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。高温下表面能否形成致密的保护性氧化膜。高温 钛合金钛合金Ti6Al4VTi6Al4V中含有中含有6%6%左右的铝不足以在左右的铝不足以在 表面形成连续

7、致密的表面形成连续致密的AlAl2 2O O3 3氧化膜，氧化时形氧化膜，氧化时形 成由多孔的成由多孔的TiOTiO2 2为主的氧化膜，抗氧化能力为主的氧化膜，抗氧化能力 差。差。 一一 选选 题题 的的 背背 景景 对于对于Ti6Al4VTi6Al4V合金，它的高温使用温度为合金，它的高温使用温度为 300300左右，近左右，近钛合金的使用温度为钛合金的使用温度为600600， -TiAl-TiAl最高只能达到最高只能达到800800左右。钛合金不左右。钛合金不 高的抗高温氧化能力严重限制了其广泛应用高的抗高温氧化能力严重限制了其广泛应用 ： 基体合金化：基体合金化：合金元素的加入在一定范围

8、内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。合金原来的一些力学性能。 表面处理：表面处理：通过在钛合金表面形成一层抗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，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了资源

9、；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。温氧化性能最经济有效的方法。 一一 选选 题题 的的 背背 景景 一一 选选 题题 的的 背背 景景 火焰喷涂和等离子喷涂火焰喷涂和等离子喷涂涂层组织粗大、孔隙涂层组织粗大、孔隙 率高率高( (疏松疏松) )、与基体结合力差、容易开裂或剥落、与基体结合力差、容易开裂或剥落 激光表面处理激光表面处理设备昂贵，处理面积小，适用设备昂贵，处理面积小，适用 面小，产业化较困难面小，产业化

10、较困难 固态粉末扩散渗铝固态粉末扩散渗铝渗层室温较脆，长时间高渗层室温较脆，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 电镀与化学镀电镀与化学镀处理液污染环境处理液污染环境 一一 选选 题题 的的 背背 景景 加弧辉光离子渗镀技术简介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，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，辉光放电空心阴极效应使工件迅速升温，

11、它既是加热源又是欲渗元素的辅助供给源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。同时在真空容器壁上设置一个或多个金 属阴极电弧靶源属阴极电弧靶源, ,利用真空电弧放电引燃利用真空电弧放电引燃 电弧源电弧源, ,不断地发射出高能量、高电流密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，在和离子轰击作用快速渗入工件表面层，在 工件

12、表面可以形成渗层、镀层、渗镀结合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。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：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（）渗速极快，平均值为（300700）m/h。 （2）工件形状不受限制，可在炉内任意排放。）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。）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）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）渗镀层成分呈梯度分布、硬度也呈梯度分 布，不存在

13、布，不存在“膜基结合力膜基结合力”问题问题 （6）合金渗镀层成分基本可控，成分变动范围）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。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。）无污染，工作条件好，节约能源。 一一 选选 题题 的的 背背 景景 一一 选选 题题 的的 背背 景景 研究现状研究现状 （一）加弧辉光离子渗镀技术目前已在碳钢、合金钢（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。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）用加弧辉光离子渗镀技术在用A3钢制作的紧固件

14、螺钢制作的紧固件螺 钉、螺母上进行渗钛，渗层厚度可达钉、螺母上进行渗钛，渗层厚度可达40m左右，试件进左右，试件进 行盐雾试验，结果表明，盐雾试验行盐雾试验，结果表明，盐雾试验96h无锈斑，无锈斑，240h后有后有 少量的腐蚀，证明抗蚀性能大大提高。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）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、薄膜进行的工艺性能研究表明，耐蚀、 耐磨性能大大提高，切削性能可提高耐磨性能大大提高，切削性能可提高 46倍，表面金黄色也十分美观。倍，表面金黄色也十分美观

15、。 一一 选选 题题 的的 背背 景景 （二）目前，在钛及钛合金表面加弧辉光处理中，有（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。关提高耐磨及耐蚀性的研究较多。 1）对钛合金）对钛合金Ti6Al4V表面加弧辉光渗镀表面加弧辉光渗镀Cr-Ni后，表后，表 面硬度大幅提高，耐磨性优于离子氮化处理，并且具有面硬度大幅提高，耐磨性优于离子氮化处理，并且具有 高的抗含高的抗含Cl-水溶液腐蚀性能。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）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，对阴极电弧石墨靶，对Ti6AI4V钛合金进行离子无

16、氢渗碳，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的扩散层，从减摩和抗磨两方面改善了Ti6AI4V的摩擦的摩擦 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，减小了7倍多，和原材料相比较比磨损率减小了倍多，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。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金加弧辉光渗镀铝提

17、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。拓钛合金抗高温氧化的一个新的研究领域。 一一 选选 题题 的的 背背 景景 二二 研研 究究 的的 目目 的的 及及 意意 义义 研究的目的研究的目的 研究的意义研究的意义 二二 研研 究究 的的 目目 的的 及及 意意 义义 三三 研研 究究

18、内内 容容 （1）加弧辉光离子渗镀的制备工艺）加弧辉光离子渗镀的制备工艺 （2）渗镀层的厚度、成分、结构）渗镀层的厚度、成分、结构 （3）渗镀层的耐磨、耐蚀性能研究）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）渗镀试样的高温氧化性能及机制 三三 研研 究究 内内 容容 研究方法：研究方法： 对钛合金对钛合金Ti6Al4VTi6Al4V表面加弧辉光渗镀铝；表面加弧辉光渗镀铝； 综合利用综合利用X X射线衍射仪、扫描电子显微镜、金射线衍射仪、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；界面结构进行分析； 在在MS-3000MS-3000摩擦磨损试验机、摩擦磨损试验机、 MFT-4000MFT-4000 材料表面性能试验仪和材料表面性能试验仪和CS350CS350电化学工作电化学工作 站模拟不同工况进行磨损及腐蚀试验；站模拟不同工况进行磨损及腐蚀试验； 采用采用SX2-12-10SX2-12-10箱式电阻炉进行高温氧化试验；箱式电阻炉进行高温氧化试验； 四四 研研 究究 方方 法法 及及 技技 术术 路路 线线 技术路线：技术路线：四四 研研 究究 方方 法法 及及 技技 术术 路路 线线 利用扫描电子显微镜分析渗镀层表面形貌利用扫描