摘要：钛合金具有密度低、比强度高、疲劳蠕变性能好、耐蚀性能优异等特点,在航空、航天、船舶、兵器等领域得到较广泛的运用。但是在高温和剧烈摩擦的情况下,钛合金的运用受限于较差的摩擦性能、抗氧化性能和有燃烧的危险(即“钛火”)。表面改性技术在解决这些不足的同时,能够保留块体材料的机械性能,因而受到了广泛的关注。其中,激光表面技术具有极高的加热冷却速率,能精确改善表面性能。多主元合金是一种新的合金设计理念,它包含接近等原子比的多种主要合金元素,而传统合金一般只有一个主要元素。通过选择适当的合金元素,这类合金能得到所需的性能,例如高硬度、良好的热稳定性、优异的耐磨、抗氧化和耐腐蚀性能。由此,多主元合金被看作具有吸引力的表面涂层材料。本探讨的目的是开发能同时提升钛合金耐磨性、抗高温氧化性和阻燃性的多主元合金涂层。采取激光熔覆的策略,在钛合金基体上制得了TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni两种多主元合金涂层,探讨了激光熔覆工艺参数、微观组织、耐热性、摩擦磨损性能、抗高温氧化性和阻燃性等方面的内容。并用CALPHAD(相图计算)技术浅析了涂层的相形成规律和阻燃性能。完成的主要工作和结论如下：(1)采取优化的激光熔覆工艺在Ti-6A1-4V钛合金基体上激光熔覆制得裂纹和孔洞很少的TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni两种多主元合金涂层。(2)XRD、SEM和EDS浅析表明,激光熔覆TiCrAlSi-V多主元合金涂层由(Ti,V)5Si3和BCC相组成；800℃真空退火24小时后,析出了新相Al8(V,Cr)5。激光熔覆TiCrAlSi-Ni多主元合金涂层由(Ti,Cr)5Si3和NiAl相组成；800℃真空退火24小时后,相组成没有发现显著的变化。结果表明,不是所有的多主元合金都会如许多学者所强调的那样,生成简单固溶体。(3)建立了用于TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni多主元合金的热力学数据库。基于这个数据库,采取CALPHAD策略计算出了涂层材料随温度变化平衡相组成的演化规律,并用实验进行了验证。对TiCrAlSi-V合金,实验与计算结果一致；而对TiCrAlSi-Ni合金,实验与计算结果略有出入。(4)真空退火后,TiCrAlSi-V多主元合金涂层的硬度略有上升,这是由于退火历程中析出了金属间化合物Al8(V,Cr)5。而TiCrAlSi-Ni涂层在热处理前后,硬度没有显著变化。两种涂层的硬度都远大于Ti-6Al-4V钛合金基体。(5)干滑动磨损实验表明,Ti-6Al-4V钛合金激光熔覆多主元合金涂层后,耐磨性显著提升。在不同的频率下,涂层的比磨损率都远小于钛合金基体,尤其是TiCrAlSi-Ni涂层,比磨损率减小了两个数量级。TiCrAlSi-V涂层的摩擦系数显著小于Ti-6A1-4V钛合金基体。在本探讨所采取的实验条件下,钛合金基体的磨损机制为粘着磨损和严重的磨粒磨损,而两种涂层均为轻微磨损,其磨耗历程为氧化、粘着和粘着材料(包括氧化物)的开裂与剥落。(6)氧化实验表明,两种涂层都能有效提升钛合金在800℃的抗氧化性。TiCrAlSi-V涂层表面形成的氧化层由SiO2、Cr2O3、TiO2、Al2O3和少量的V2O5构成,TiCrAlSi-Ni涂层表面的氧化层由Cr2O3、TiO2、Al2O3和少量的SiO2与NiO构成。两种氧化层都连续致密,没有裂纹和孔洞。(7)通过计算绝热燃烧温度探讨了阻燃性。TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni多主元合金的绝热燃烧温度都比Ti-6A1-4V钛合金低,由此两种涂层在论述上都有较好的阻燃性。用激光烧蚀法初步评价了涂层及钛合金基体的阻燃性,实验结果和论述浅析一致。关键词：激光熔覆论文多主元合金论文钛合金论文显微组织论文相图计算论文耐磨性论文抗氧化性论文阻燃性论文
摘要5-7
Abstract7-12
1 绪论12-35
1.1 多主元合金12-22
1.2 钛合金表面改性与激光表面处理22-24
1.3 相图计算技术基本论述24-32
1.4 探讨目的和作用32-33
1.5 探讨内容与技术路线33-35
2 试验策略35-39
2.1 试验材料35
2.2 激光熔覆试验35-37
2.3 激光熔覆层显微组织浅析37
2.4 激光熔覆层维氏硬度测量与摩擦磨损实验37-38
2.5 高温氧化实验38
2.6 激光烧蚀实验38
2.7 相图验证实验38-39
3 钛合金表面激光熔覆多主元合金涂层的工艺优化与组织浅析39-60
3.1 钛合金表面激光熔覆多主元合金涂层的工艺优化39-44
3.1.1 激光熔覆工艺参数39-41
3.1.2 制备多主元合金涂层的难点41-43
3.1.3 优化的工艺参数43-44
3.2 激光熔覆TiCrAlSi-V多主元合金涂层及其退火后的微观组织44-50
3.3 激光熔覆TiCrAlSi-Ni多主元合金涂层及其退火后的微观组织50-55
3.4 多主元合金相形成规律的初步浅析55-59
3.5 本章小结59-60
4 TiCrAlSi-X多主元合金热力学数据库与相图计算60-84
4.1 数据库的建立60
4.2 热力学模型60-65
4.3 子二元系对多主元合金数据库可靠性的验证65-70
4.4 子三元系对多主元数据库可靠性的验证70-78
4.5 TiCrAlSi-X(X=V、Ni)多主元合金相图78-83
4.5.1 TiCrAlSi-V多主元合金相图78-81
4.5.2 TiCrAlSi-Ni多主元合金相图81-83
4.6 本章小结83-84
5 钛合金表面激光熔覆多主元合金涂层性能的探讨84-107
5.1 钛合金表面激光熔覆多主元合金涂层的摩擦磨损性能84-95
5.1.1 钛合金表面激光熔覆TiCrAlSi-V多主元合金涂层的摩擦磨损性能84-91
5.1.2 钛合金表面激光熔覆TiCrAlSi-Ni多主元合金涂层的摩擦磨损性能91-95
5.2 钛合金表面激光熔覆多主元合金涂层的抗高温氧化性能95-103
5.2.1 钛合金表面激光熔覆TiCrAlSi-V多主元合金涂层的抗高温氧化性95-100
5.2.2 钛合金表面激光熔覆TiCrAlSi-Ni多主元合金涂层的抗高温氧化性100-103
5.3 钛合金表面激光熔覆多主元合金涂层的阻燃机理浅析与初步实验103-106
5.3.1 影响合金被点燃的因素104
5.3.2 影响合金燃烧蔓延的因素104-105
5.3.3 激光烧蚀实验105-106
5.4 本章小结106-107
结论107-109
革新点109-110
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