| TiAl基金属间化合物的制备及其摩擦学性能研究; TiAl基金属间化合物的制备及其摩擦学性能研究 | |
程军
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| Subtype | 工学博士 ; 工学博士 |
| Thesis Advisor | 刘维民 ; 刘维民 ; 杨军 ; 杨军 |
| 2014-05-28 ; 2014-05-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 ; 中国科学院大学 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 ; 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 ; 材料学 |
| Keyword | Tial基金属间化合物 Tial基金属间化合物 Tial基复合材料 Tial基复合材料 摩擦学性能 摩擦学性能 磨损机理 磨损机理 Tial-based Intermetallics Tial-based Intermetallics Tial-based Composite Tial-based Composite Tribological Properties Tribological Properties Wear Mechanism Wear Mechanism |
| Abstract | TiAl基金属间化合物是一种新型轻质耐高温结构材料，在航空航天和汽车工业领域具有广泛应用前景，但现有研究对其摩擦学性能还没有足够的认识。基于此，本论文采用粉末冶金技术制备了第二代实用型 Ti-46Al-2Cr-2Nb 合金，考察了其组织结构和力学性能，并重点研究了摩擦环境(高温、干滑动和油润滑以及真空)和摩擦条件(载荷、时间)对合金摩擦学性能的影响。同时，探索了复合化和表面涂层提高合金摩擦学性能的技术。取得的主要结果和结论如下： 1. 制备工艺对Ti-46Al-2Cr-2Nb合金性能的影响：烧结温度对Ti-46Al-2Cr-2Nb合金组织结构和力学性能具有显著影响。优化工艺制备的 Ti-46Al-2Cr-2Nb 合金与传统熔炼法制备合金的性能相当。 2. 干滑动条件下，Ti-46Al-2Cr-2Nb合金抗磨损性能优于传统TC4合金。初步构建了摩擦条件-磨损机制-摩擦性能三者之间的关系：低载低速时，Ti-46Al-2Cr-2Nb合金磨损机制为犁沟磨损；高载高速则为塑性变形、磨粒磨损以及严重的氧化磨损。石蜡油润滑条件下，传统钛合金 TC4 润滑困难，而新型TiAl基合金润滑性良好，这主要归因于其较好的抗粘着能力和表面湿润性能，使合金表面能形成大量稳定油膜，起到减摩抗磨作用。综上所述，干滑动和润滑条件下，新型TiAl 基合金摩擦学性能均优于传统钛合金。 3. 在大气和氩气环境下，合金的高温摩擦学研究表明，TiAl 基合金摩擦学性能与材料塑性和表面氧化行为密切相关：中低温条件下(20～600 ℃)，表面氧化对合金摩擦学性能有害，高温(600～900 ℃)时则有益；大气条件下，磨损表面在800 ℃和900 ℃形成厚的氧化层阻止磨损，同时材料塑性增强，导致TiAl基合金在600 ℃以上高温抗磨损性能优异，并且显著优于氩气条件下的抗磨损性能。 4. 高真空条件(4.0×10-4 Pa)下，TiAl基合金抗磨损性能约比大气环境下提高了一个数量级。其原因是：真空环境下，摩擦副之间的强粘着力导致磨屑不能及时有效的从滑动表面排出，易粘附到滑动表面；大气环境下，磨损表面氧化物易脱落导致严重的磨粒磨损。采用粉末冶金方法在TiAl合金表面原位生成Ti3AlC2涂层，可以有效解决TiAl基合金在真空条件下的润滑问题。TiAl基底与Ti3AlC2 涂层界面结合良好，形成约50 μm的过渡层；Ti3AlC2涂层在2.0×104 Pa条件下具有优异的自润滑性能。 5. 针对TiAl基合金室温大气环境条件下抗磨损性能差的缺点，本论文制备了TiAl/TiB2和TiAl/Ti2AlC复合材料，并研究了其在干滑动下的抗磨损性能。研究发现，TiB2加入显著提高了TiAl基合金的抗磨损性能，且TiB2含量越高抗磨损性能越好；与Ti-46Al-2Cr-2Nb合金相比，含20 Vol.% Ti2AlC材料抗磨损性能略微降低而含40 Vol.% Ti2AlC材料的抗磨损性能有所提高，导致这种抗磨损性能差异的原因与复合材料中Ti2AlC相的形貌和分布有关。; TiAl基金属间化合物是一种新型轻质耐高温结构材料，在航空航天和汽车工业领域具有广泛应用前景，但现有研究对其摩擦学性能还没有足够的认识。基于此，本论文采用粉末冶金技术制备了第二代实用型 Ti-46Al-2Cr-2Nb 合金，考察了其组织结构和力学性能，并重点研究了摩擦环境(高温、干滑动和油润滑以及真空)和摩擦条件(载荷、时间)对合金摩擦学性能的影响。同时，探索了复合化和表面涂层提高合金摩擦学性能的技术。取得的主要结果和结论如下： 1. 制备工艺对Ti-46Al-2Cr-2Nb合金性能的影响：烧结温度对Ti-46Al-2Cr-2Nb合金组织结构和力学性能具有显著影响。优化工艺制备的 Ti-46Al-2Cr-2Nb 合金与传统熔炼法制备合金的性能相当。 2. 干滑动条件下，Ti-46Al-2Cr-2Nb合金抗磨损性能优于传统TC4合金。初步构建了摩擦条件-磨损机制-摩擦性能三者之间的关系：低载低速时，Ti-46Al-2Cr-2Nb合金磨损机制为犁沟磨损；高载高速则为塑性变形、磨粒磨损以及严重的氧化磨损。石蜡油润滑条件下，传统钛合金 TC4 润滑困难，而新型TiAl基合金润滑性良好，这主要归因于其较好的抗粘着能力和表面湿润性能，使合金表面能形成大量稳定油膜，起到减摩抗磨作用。综上所述，干滑动和润滑条件下，新型TiAl 基合金摩擦学性能均优于传统钛合金。 3. 在大气和氩气环境下，合金的高温摩擦学研究表明，TiAl 基合金摩擦学性能与材料塑性和表面氧化行为密切相关：中低温条件下(20～600 ℃)，表面氧化对合金摩擦学性能有害，高温(600～900 ℃)时则有益；大气条件下，磨损表面在800 ℃和900 ℃形成厚的氧化层阻止磨损，同时材料塑性增强，导致TiAl基合金在600 ℃以上高温抗磨损性能优异，并且显著优于氩气条件下的抗磨损性能。 4. 高真空条件(4.0×10-4 Pa)下，TiAl基合金抗磨损性能约比大气环境下提高了一个数量级。其原因是：真空环境下，摩擦副之间的强粘着力导致磨屑不能及时有效的从滑动表面排出，易粘附到滑动表面；大气环境下，磨损表面氧化物易脱落导致严重的磨粒磨损。采用粉末冶金方法在TiAl合金表面原位生成Ti3AlC2涂层，可以有效解决TiAl基合金在真空条件下的润滑问题。TiAl基底与Ti3AlC2 涂层界面结合良好，形成约50 μm的过渡层；Ti3AlC2涂层在2.0×104 Pa条件下具有优异的自润滑性能。 5. 针对TiAl基合金室温大气环境条件下抗磨损性能差的缺点，本论文制备了TiAl/TiB2和TiAl/Ti2AlC复合材料，并研究了其在干滑动下的抗磨损性能。研究发现，TiB2加入显著提高了TiAl基合金的抗磨损性能，且TiB2含量越高抗磨损性能越好；与Ti-46Al-2Cr-2Nb合金相比，含20 Vol.% Ti2AlC材料抗磨损性能略微降低而含40 Vol.% Ti2AlC材料的抗磨损性能有所提高，导致这种抗磨损性能差异的原因与复合材料中Ti2AlC相的形貌和分布有关。 |
| Subject Area | 材料科学与物理化学 ; 材料科学与物理化学 |
| Funding Project | 空间润滑材料组;高温抗磨材料组 ; 空间润滑材料组;高温抗磨材料组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/6758 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 程军. TiAl基金属间化合物的制备及其摩擦学性能研究, TiAl基金属间化合物的制备及其摩擦学性能研究[D]. 中国科学院大学, 中国科学院大学,2014, 2014. |
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