Ti40合金的超高温氧化行为研究

对Ti40合金进行1000~1500℃的超高温氧化实验。应用SEM、OM、XRD和EDS分析氧化表面以及氧化表面到基体的组织和元素的变化。结果表明,Ti40合金在1000~1500℃氧化过程中,氧化表层分别经历了V2O5的熔化蒸发、TiO_2晶粒的长大,以及表面氧化层由于TiO_2的生长应力而导致的开裂剥落的过程。当氧化层脱落后,原有的氧化次表层推至氧化表面,形成致密的、具有较好保护作用的TiO_2和Cr_2O_3混和氧化层。同时,在氧化层和基体界面依然稳定存在V、Cr元素的富集层。TiO_2、Cr_2O_3混和氧化层和V、Cr元素的富集层使得氧化表层脱落后合金依然具有良好的抗O元素扩散能力。     

Ti40合金在500~1000℃的恒温氧化行为

研究了Ti40合金在500~1000℃范围内的恒温氧化行为。氧化增重实验及XRD、SEM、EDS的分析结果表明,Ti40合金的氧化机制可以V的氧化物V2O5的熔点为分界,在700℃以下氧化时,氧化层平整且致密,表面主要由V2O5和TiO2组成,氧化的主要过程为混合氧化膜中的V2O5向外择优生长,氧化机制受V元素在V2O5中的扩散机制控制。在700℃以上氧化时,V2O5的熔化挥发,导致氧化层疏松多孔,氧化层主要由TiO2和SiO2构成,在氧化层和基体的界面处,存在V、Cr元素的富集层,此条件下,合金的氧化受V元素在β钛合金中的扩散机制控制。     

Ti6Al7Nb和Ti6Al4V合金的热氧化行为

在600～900℃温度下,0.5～72 h时间范围内空气气氛下对Ti6Al7Nb进行热氧化,根据增重曲线计算其氧化动力学规律,利用XRD、XPS分析表面氧化层的相组成、成分和价态,并以Ti6Al4V合金做为比照.结果表明,Ti6Al7Nb合金较Ti6Al4V合金抗氧化能力更强.同等氧化条件下,Ti6Al7Nb合金的氧化速率常数(k)更小.对短时间(1 h)氧化的样品的表面分析显示:各合金元素均以最高价态或稳定价态存在,其中Al和V被富集,而Nb则贫化;另外,Ti6Al7Nb合金和Ti6Al4V合金氧化层主要由金红石型TiO2(R-TiO2)组成,Al2O3相仅出现在900 ℃Ti6Al4V合金样品中.     

渗铝温度对Ti_2AlNb合金高温抗氧化性能的影响

利用双辉等离子表面冶金技术在Ti_2AlNb合金表面制备渗铝层,借助SEM,EDS和XRD研究了3种工艺温度下(720,780和840℃)渗铝层的微观组织及其相组成,并测试了渗铝温度对Ti_2AlNb合金高温氧化性能的影响。结果表明:等离子渗铝层由沉积层和扩散层组成,随着渗铝温度的升高,扩散层厚度不断增加,且内部Al、Ti和Nb元素浓度呈梯度分布。经渗铝处理后的Ti_2AlNb合金在850℃空气中的氧化速度主要受扩散层Al元素与基体Ti、Nb元素之间的热扩散过程控制。氧化动力学曲线呈对数变化规律。在840℃制备的渗铝层具有最佳的抗高温氧化性能。     

钛建材及表面处理技术

采用直流电弧激发燃烧法（DCSB法）测试Ti40,AlloyC和TC4合金在3种气氛条件下的相对质量燃烧速度。结果表明：与TC4合金相比，Ti40和AlloyC均具有较好的阻燃性能，用氮气来稀释空气能够降低钛合金的燃烧速率。用扫描电镜（SEM）与X射线能谱（EDAX）观察分析了合金的燃烧产物、界面与基体，发现：当Ti40和AlloyC燃烧时，V优先迁移至表层，因而燃烧区表层氧化层为富V贫Cr，而燃烧产物与基体界面附近氧化层则为富Cr贫V。Ti40与AlloyC界面的富Cr贫V混合氧化层非常致密，既可抑制氧扩散入基体，又可阻碍基体中的V扩散进入燃烧区。TC4燃烧时，虽然Al优先迁移至表面与氧反应生成Al2O3，但该氧化层不连续不能有效降低燃烧速度，Cr,V元素均对合金燃烧时界面氧化层的致密化有重要作用。     

Ti6Al4V合金双层辉光离子钴铬共渗层的高温抗氧化性能

针对Ti6Al4V合金高温抗氧化性差的问题,采用双层辉光离子技术进行钴铬共渗并对渗层高温抗氧化性能进行研究.结果表明,渗层组织均匀、致密、无裂纹,由沉积层、过渡层和扩散层构成,与Ti6Al4V合金基体间呈冶金结合;钴铬共渗层的高温氧化质量增加明显低于基体,其主要原因是渗层在高温氧化后生成组织致密的Cr2O3,有效地阻止了基体的进一步氧化,从而显著提高了Ti6Al4V合金表面高温抗氧化性能.     

Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金在1250℃下的氧化行为

采用真空非自耗电弧熔炼法制备了Nb-22Ti-14Si-20Cr-3Al-5Hf-1.5B-0.06Y (at％)超高温合金,在1250℃下分别进行1、5、10、20、50和100 h高温氧化试验.采用XRD、SEM及EDS分析了合金氧化膜及其合金基体的相组成、组织形貌和成分.结果表明:氧化膜分为两层,致密的外层和疏松的中间层,外层组织由Ti0.4Cr0.3Nb0.3O2组成,并含有少量TiNb2O7和SiO2,且随着氧化时间的延长,TiNb2O7含量逐渐减少,Ti0.4Cr0.3Nb0.3O2的含量逐渐增多;氧化膜中间层主要由(Ti,Cr)NbO4、Ti2Nb10O29和Nb2O5组成;氧化后合金基体内Cr2Nb和Nbss元素发生互扩散,界面处出现过渡区.     

CLAM钢焊缝在550℃流动的铅铋合金中的腐蚀行为

为了研究中国低活化马氏体(CLAM)钢TIG焊缝在流动的铅铋共晶合金(LBE)中的腐蚀行为,对CLAM钢TIG焊缝及母材在550 ℃,不同相对流速(1.70,2.31,2.98 m/s)的LBE中进行1 500 h的腐蚀试验. 结果表明,腐蚀试样表面均存在双层结构的氧化层,外氧化层由疏松的Fe₃O₄组成,内氧化层由致密的(Fe, Cr)₃O₄组成;随着LBE相对流速的增加,提高了CLAM基体材料中的Fe,Cr元素向LBE中的溶解速率和LBE中的O元素向CLAM基体材料中的扩散迁移速率,加剧了试样表面的腐蚀程度,最终导致试样表面氧化层的厚度不断增厚;经过相同条件的腐蚀试验后,CLAM钢焊缝试样的抗腐蚀性能比母材试样低.     

合金元素对Nb-Ti-Al-C合金氧化行为的影响

利用真空非自耗电弧炉制备不同Al含量的Nb-25Ti-8C合金,研究Nb-Ti-Al-C合金的组织结构及其高温氧化行为。研究表明,Nb-25Ti-8C-(0,5,10)Al合金由Nbss和(Nb,Ti)C两相构成;Nb-25Ti-8C-15Al合金由Nbss、(Nb,Ti)C和Nb3Al三相构成。800~1000℃氧化过程中,合金氧化膜为由Nb2O5,Ti O2,Al2O3,Nb O2及Ti Nb2O7多种氧化物构成的混合氧化膜。Ti、Al活性元素可优先与氧发生选择性氧化,抑制氧化物Nb2O5生成,提高氧化膜致密度和合金抗氧化性,并且氧化温度越高,Al元素改善铌合金抗氧化性能效果越明显。Nb-25Ti-8C合金800℃氧化时表现出良好的抗氧化性能,1000℃氧化时Nb-25Ti-8C-x Al合金的抗氧化性能明显优于C-103。随氧化温度升高,氧化膜中Nb2O5含量增加,导致氧化膜与合金基体的内应力增大,引起外层氧化膜脱落。碳化物中C元素以CO2形式挥发导致氧化层表面形成氧化空洞。     

β相凝固铸造高Nb-TiAl合金的高温氧化行为

研究了β相凝固的铸造合金Ti45Al8Nb0.2W0.25Cr和Ti45Al8Nb0.2W0.25Cr0.2B0.02Y合金900℃×130 h的循环抗氧化性能,探讨了B、Y元素对合金抗氧化性能的影响。结果表明,0.2B0.02Y的添加能在一定程度上改善合金的抗氧化性能。B、Y的加入能够促进合金表层形成致密连续的Al2O3层,抑制氧元素的进一步入侵,Y的加入使得合金氧化层的抗剥落性能得到提高。分析计算得出了两种合金的氧化动力学曲线,氧化10 h后,Ti45Al8Nb0.2W0.25Cr合金的氧化动力学方程中的幂指数n=1.87,合金单位面积的氧化增重随氧化时间的变化规律介于直线规律和抛物线规律之间,即这种合金的氧化膜保护性不足。Ti45Al8Nb0.2W0.25Cr0.2B0.02Y合金氧化动力学方程中的幂指数n=2,合金单位面积的氧化增重随氧化时间的变化规律为抛物线规律,利于合金表面生成保护性的氧化膜,合金的抗氧化性较好。     

γ-TiAl合金表面辉光等离子Ni-Cr共渗层的组织与性能

采用双层辉光等离子表面冶金技术在γ-TiAl合金表面进行Ni-Cr共渗处理,形成均匀致密的Ni-Cr合金层,通过SEM、EDS、XRD等对其渗层显微组织、化学成分和相结构进行分析,并测试了合金层的显微硬度及耐磨性。结果表明,合金层有效渗层厚度为25μm,主要由Cr2 Ti、AlTi、Cr、NiTi2、Cr1.75 Ni0.25 Ti等相组成;合金层中合金元素Cr和Ni由表及里呈梯度分布,合金层与基体结合牢固;合金层的显微硬度、动态硬度及摩擦磨损性能显著高于基体。     

Ti6Al4V合金等离子体基离子注氧层XPS研究

采用等离子体基离子注氧技术(O2-PBⅡ)对Ti6Al4V合金进行了表面改性处理,实验过程中改变注入离子能量的工艺参数,负脉冲偏压分别为10、20、30 kV,离子注入过程中样品台通油冷却以实现低温注入;用XPS对离子注氧层的深度、成分及化学结构进行了系统的分析.结果表明:随着注入离子能量的增加,Ti6Al4V合金表面改性层的深度明显增加,改性层的外层由一定厚度的TiO2组成,外层与内层基体之间存在Ti2O3和TiO;Al元素在改性层的外层以氧化物形式存在,且该氧化物趋于表面生长;在表面改性层的外层未发现V及其氧化物.     

TC4合金双辉等离子渗Cr高温氧化行为

研究了双层辉光等离子渗Cr对TC4合金650、750、850℃恒温氧化性能的影响。结果表明：渗Cr后,表面梯度合金层显著提高了TC4合金的高温氧化性能,Ti-Cr互扩散层可有效阻止氧向基体扩散。氧化过程中,Ti、Cr向外扩散形成TiO2/Cr2O3氧化膜,其形态与氧化温度有关。850℃氧化100 h后,渗Cr试样表面形成致密Cr2O3膜,恒温氧化性能优于NiCrAlY热障涂层。     

合金元素对V(110)表面O吸附影响的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了V(110)表面的氧吸附行为以及Al、Ti、Cr等合金元素的影响,并结合热力学原理构建了钒合金表面氧化相图,分析了钒合金表面氧化的微观机制。结果表明,Al和Ti倾向于在V(110)表面偏析,Cr不会在V(110)表面偏析。在V(110)表面会发生Al和Ti的选择性氧化,而Cr不会发生选择性氧化。对钒合金表面氧化机制的研究结果可以很好地解释钒合金的氧化行为,并可预测V-Al合金的选择性氧化行为,从而为钒合金表面氧化物阻氚涂层的制备提供指导。     

Ti50Al和Ti45Al8Nb合金高温初期氧化行为

利用SEM、XPS和AES研究了Ti50Al和Ti45Al8Nb(原子分数,%)合金在900 ℃空气中的初期氧化行为.结果表明:Nb的加入显著提高了合金的抗氧化性.氧化90 min后,Ti50Al合金表面为粗大的富TiO2颗粒,冷却过程中部分表层氧化膜脱落,脱落后内层为多孔、疏松的Ti和Al的混合氧化物(可能有氮化物);Ti45Al8Nb合金表面生成很薄的氧化膜,其外层为细小富Al2O3颗粒,Nb只存在于内层(富TiO2层)和混合层,在外层Al2O3内没有发现,Nb5 取代TiO2中的Ti4 ,降低氧空位浓度从而减慢氧的向内扩散,抑制TiO2的生成,同时促进了外层纯Al2O3层的形成,该层阻碍氧以及合金元素的进一步扩散.     

基体温度对Ti6Al4V表面渗Mo合金层性能的影响

利用双层辉光离子渗金属技术在Ti6A14V表面渗Mo，形成了表面改性合金层，就910—990℃渗Mo时基体温度对表面合金层性能的影响进行了研究。结果表明，渗Mo后的表面合金层由扩散层和沉积层组成，沉积层呈(211)晶面的择优取向。随着基体温度的升高，扩散层的厚度增加，并且合金层表面粗糙度增大。渗Mo后的表面合金层硬度较基体Ti6A14V的大大提高，而基体温度变化对合金层硬度没有明显影响。用涂层压入仪对沉积层和扩散层间的结合强度进行了评定。研究表明，随着基体温度的升高，临界压入载荷Pc增大，沉积层和扩散层间的结合强度增大。     

Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金表面ZrSi_2-NbSi_2复合渗层的组织及其抗高温氧化性能

采用先磁控溅射Zr膜,再Si-Y扩散共渗的方法,在新型Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金表面制备了Zr Si2-Nb Si2复合渗层,分析了渗层的显微组织及形成机制,并研究了其在1250℃的恒温氧化行为.结果表明,1150,1250和1350℃下Si-Y共渗4 h所制备的渗层具有相似的显微组织,均主要由Zr Si2外层,(Nb,X)Si2(X=Ti,Cr,Zr和Hf)中间层和(Ti,Nb)5Si4内层组成.恒温氧化实验结果表明,所制备的渗层具有优异的抗高温氧化性能.氧化时渗层表面形成了由Si O2,Ti O2,Zr Si O4和Cr2O3混合组成的致密氧化膜,能够在1250℃空气中保护基体合金至少100 h不被氧化.     

微合金元素对超低碳钢高温抗氧化性能的影响

采用热重分析仪和Gleeble-3500热模拟试验机研究了Si、Cr、Ni和Cu微合金元素对超低碳钢氧化行为和氧化层的影响。结果表明,在氧化过程中合金元素在氧化层与基体的界面处发生富集,其中Si和Cr形成了一层连续的富集层,Cu和Ni以粒子形式在界面处析出。微合金元素的富集一方面抑制了铁原子由基体向外扩散,从而显著提高钢的抗氧化性,其中Si和Ni的效果最好,Cr次之,Cu的效果最差;另一方面提高了氧化层与基体的结合力,抑制了氧化层的鼓泡现象,Si的抑制效果最好,Cu次之,Cr和Ni的抑制效果最差。     

基于卤素效应的阳极氧化技术提高Ti48Al5Nb合金抗高温氧化性能

采用电化学阳极氧化技术在含NH_4F的乙二醇电解液中对Ti48Al5Nb合金进行阳极氧化处理,以获得富铝含氟阳极氧化膜。研究了阳极氧化处理对Ti48Al5Nb合金在1000℃空气中的氧化行为及氧化膜组成和结构的影响。结果表明:阳极氧化处理的Ti48Al5Nb合金经高温氧化后表面可形成连续、致密的Al_2O_3氧化膜,且氧化膜与基体具有良好结合力,有效阻止了氧向内扩散,进而显著提高了合金的抗高温氧化性能。经1000℃氧化100 h后,阳极氧化试样增重由未经阳极氧化处理试样的26.73 mg/cm~2降至1.18 mg/cm~2。同时,阳极氧化处理改变了合金的氧化机制,抑制了氧化膜/基体界面处富Nb层的出现。阳极氧化提高Ti48Al5Nb合金抗高温氧化性能是由于氧化膜中F在高温氧化过程中表现出的"卤素效应"所致。     

Ti_2AlNb合金表面等离子渗铝层的摩擦性能

利用双层辉光等离子冶金技术在Ti2Al Nb合金表面制备渗铝层,分析了渗铝层的成分、显微组织及相结构,测定了渗层的硬度分布,评价了室温干滑动磨损条件下的摩擦磨损性能。结果表明:在Ti2Al Nb合金表面形成约4μm的沉积层和6μm合金扩散层。扩散层中的硬度随渗层厚度呈梯度递减。渗铝层的磨损率为0.18×103mg/N·m,仅是基体的0.67倍,磨损机理属于轻微磨损,可见,双辉等离子渗铝在一定程度上提高基体材料的耐磨性。