TC4表面搅拌摩擦加工制备铝基覆层及其氧化性能的研究-材料加工工程专业毕业论文.docx

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南京航空航天大学硕士学位论文
摘 要
钛及其合金虽然具备优异的综合性能,但在高温服役条件下的氧化问题非常严重。特别是对于目前使用最为广泛的 TC4 钛合金,相对较弱的抗氧化性能严重限制了其高温条件下使用。基于此,本文提出采用区别于传统涂层界面结构特征的多道搅拌摩擦搭接固态加工方法,制备了以“固态焊接接头结构”替代“扩散界面结构”的抗氧化涂层,并通过焊后退火处理,进一步增加了焊后界面的冶金结合性能。此外,本文还采用球磨工艺,对涂层表面进行成分调控,制备了“粉体+铝覆层+基体”的复合结构涂层,实现了涂层抗氧化性能的进一步提升。
结果表明,通过改变搅拌针几何构貌、调控搭接量及工艺参数,实现了钛铝异种金属的焊接。在最优工艺参数下,获得了成形良好的焊缝,且在界面处发现具有条带状结构特点的中间层。该中间层结构致密且呈现成分梯度特征。其形成机制与搅拌针的热-机械作用有关:一方面搅拌摩擦焊接过程中的热输入降低了界面处钛合金发生塑性流动的阻力,促进了钛铝的互扩散;另一方面搅拌针的搅拌“铣削”行为使得界面处焊缝材料发生机械混合及互迁移,增加原子扩散通道数量的同时缩短了 Ti/Al 原子的内扩散距离。
经 500℃退火处理后,中间层条带状结构逐渐消失,出现在扩散反应驱动下生成的扩散溶解层。该扩散溶解层呈现 Al 与 Al3Ti 双相共存的典型岛状结构,其结构致密,厚度达到约 60μm。分析其形成原因是由于在退火处理之前,中间层已经形成机械互溶和钛铝成分互溶结构。预先形成的条带状微观结构,在一定程度上增加了钛铝元素的接触面积,减小了扩散距离,有利于热处理过程中钛铝中间层的钛铝之间的互扩散。由于搅拌摩擦搭接的预混合效应,钛铝在热处理过程中的扩散反应最终促使了相当厚度的由 Al-Al3Ti 二元相结构为主的岛状扩散溶解层的形成。
循环氧化增重实验表明,采用该方法所制备涂层起到了较好的抗氧化效果。氧化后试样表面
形成结构致密的α-Al2O3 和θ-Al2O3 混生形貌,并伴随少量 Al2Ti 及 Al3Ti 形成。氧化过程中, 表面足量的 Al 在阻碍 O 内扩散的同时,确保了搭接界面处的 Ti 和 Al 二元扩散行为在稀 O 环境下发生。涂层的失效机制主要分为三个阶段:第一阶段为表面氧化层的生成和剥落阶段;第二阶段为铝覆层中部铝化物的形成和氧化阶段;第三阶段为中间层的氧化和失效阶段。此三个阶段并非绝对独立,而是伴随着氧化始末。
为进一步提升涂层性能,采用球磨方法分别在铝覆层表面制备了 Cr 及 NiCrAlCoY 复合涂层,结果表明,涂层的制备主要有颗粒附着、颗粒植入、颗粒冷焊、颗粒剥落几个过程。其中, NiCrAlCoY 涂层表现出更佳的抗氧化性能。
关键词:钛合金,搅拌摩擦焊,涂层,高温氧化,球磨
I
TC4 表面搅拌摩擦加工制备铝基覆层及其氧化性能的研究
II
南京航空航天大学硕士学位论文
Abstract
Although titanium and its alloys possess an prehensive performance, the poor oxida- tion resistance, especially for the most widely used of TC4 titanium alloy, limits their use at elevated temperature. To solve this problem, the solid-state processing method of friction stir lap welding
(FSLW), which is different from the traditional coating interface structure, was used to fabricate
aluminized cladding or coating on the surface of TC4 alloy. By the annealing treatment after welding, the metallurgical bonding performance was improved. In