《Ti2AlNb合金表面等離子滲Al層相結構及其抗高溫氧化機制》是依託南京航空航天大學，由梁文萍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Ti2AlNb合金表面等離子滲Al層相結構及其抗高溫氧化機制
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：梁文萍
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Ti2AlNb合金是航空、航天飛行器理想的新型高溫結構材料，但該合金抗高溫氧化性能不足而限制了其套用。針對現有的防護合金塗層易剝落、在高溫下長期服役時因互擴散而導致抗氧化性能快速下降等問題，本項目將採用雙層輝光等離子表面冶金技術對Ti2AlNb合金進行滲Al處理，形成與基體冶金結合的50-100μm厚的沉積層及富Al相擴散層的抗高溫氧化複合合金層。本研究將基於第一性原理，計算Al原子在Ti2AlNb點陣中的不同占位及其形成能，預測滲層合金相結構並描述其形成機理；採用分子動力學的方法探討合金相結構對氧溶解度的影響；套用Monte-Calo方法，建立高溫下氧擴散的Wagner方程，探討高溫下合金層的氧化機理等。本課題的實施將有望解決Ti2AlNb 合金在高溫下工作的熱端部件急待解決的抗氧化性能差的難題，對研製新一代航空太空飛行器具有重要的的套用前景和理論價值。
結題摘要
Ti2AlNb合金具有高的高溫屈服強度、高的蠕變抗力和斷裂韌性，以及低的缺口敏感性，作為新一代高溫結構材料顯示出巨大潛力。但因在高溫環境下抵抗環境侵蝕和摩擦磨損等不足一定程度上制約Ti2AlNb合金的套用。因此，如何提高Ti2AlNb合金在高溫條件下的抗腐蝕、抗磨損以及抗氧化性能已成為當今研究的熱點和重點。本項目採用雙輝技術在Ti2AlNb合金表面製備成分和結構呈梯度變化的滲鋁層，提高基材的抗氧化性、抗熱腐蝕性及耐磨性。通過第一性原理計算，從理論上分析了在Ti2AlNb表面滲鋁的可行性。系統研究了工藝參數對Ti2AlNb-Al合金層形成的影響，對製備工藝進行最佳化。對滲鋁層的高溫氧化性能、熱腐蝕性及耐磨性進行了深入研究，並與基材進行對比，在此基礎上分析了滲鋁對上述性能的影響規律與機理。 理論分析表明，Ti2AlNb中滲入鋁，隨著Al原子取代Ti原子數目的增加，亞穩相(Ti15Al9Nb8、Ti14Al10Nb8和Ti13Al11Nb8)的形成越來越容易，結構越來越穩定，證明Ti2AlNb-Al合金層的形成是可行的。通過最佳化製備工藝，在Ti2AlNb合金表面製備的滲Al層組織緻密，厚度為17 µm，與基體結合良好，無孔隙﹑裂紋等缺陷。滲鋁層明顯提升了Ti2AlNb合金的顯微硬度、納米硬度以及彈性模量，並且在劃痕實驗、熱震實驗綜合分析檢測下，表現出較為理想的結合強度。Ti2AlNb合金表面等離子滲Al後，其高溫耐磨性能得到有效的提高。滲層主要以磨粒磨損和氧化磨損為主要磨損機制，磨損邊緣以粘著磨損為主。在650 ℃和750 ℃下，滲Al層的腐蝕增重明顯小於基體，表現出一定的抗熱腐蝕能力；而滲Al層經800 ℃熱腐蝕50 h後表面則產生輕微剝落，由於其Al含量高，能生成新的Al2O3保護膜，對基體仍有良好的保護作用。 對滲Al層在高溫氧化實驗中(650℃、750℃和850℃)組織形貌和相結構進行了追蹤觀察和分析，揭示了滲層在高溫氧化條件下的演變規律，從而深度剖析了滲層的抗高溫氧化機理。在高溫氧化時，滲層表層的富鋁沉積層能為表面生成Al2O3 膜提供充足的Al 元素，一定程度上自發修復表面Al2O3 膜的損耗或剝落，從而延長其使用壽命，對航空發動機的減重及性能提高具有重要價值。
