ESD法提高TC11钛合金耐热性能研究

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1、硕士学位论文ESD法提高TC11钛合金耐热性能研究USINGOFESDMETHODTOIMPROVETEMPERATURE-RESISTANTPROPERTIESOFTC11ALLOY扎哈尔哈尔滨工业大学2013年6月国内图书分类号：TG178学校代码：10213国际图书分类号：621.4密级：公开工学硕士学位论文ESD法提高TC11钛合金耐热性能研究硕士研究生：扎哈尔导师：邵文柱教授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2013年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG178U.D.C:621.4Dissertationforth

2、eMasterDegreeinEngineeringUSINGOFESDMETHODTOIMPROVETEMPERATURE-RESISTANTPROPERTIESOFTC11ALLOYCandidate：DolgiyZakharSupervisor：Prof.ShaoWenzhuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2013Degree-Confer

3、ring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要1研究背景在表面工程中利用电子束、激光束、低温等离子体和脉冲式放电等制备涂层在钢铁和其它合金上制备高热阻、耐磨损和耐腐蚀的涂层，从而提高材料的腐蚀抗力和氧化抗力等。电火花沉积技术(ESD)是一种先进的涂层制备技术，该技术利用脉冲电流在金属表面沉积，其涂层组织可以达到纳米晶粒。电火花沉积技术的突出优势在于，其能在构件的工作表面上制备物理、化学和机械性能优异的涂层，满足构件在高温环境下服役条件，防止构件氧化增重。当今，俄罗斯和国外的专家学者们对该项涂层制备技术进行了深入地研

4、究和报道，并且广泛地推广该项技术。另一方面，电火花沉积法技术也是一种电子束加工技术，电火花沉积(ESD)技术加工示意图如图1所示。因此电子束将制约着涂层的好坏。因此，电子束已经成为表面工程领域的新兴研究热点。众所周知，连续的电子束已经被广泛地应用于切割、焊接、钻孔和强化等应用，高能脉冲电子束(HCPEB)在该领域的优势已经显现出来。脉冲电子束能够在靶材表面产生2高达105-109W/cm能量密度的电子束。如此高的能量可以在很短的时间内在靶材表面沉积一层薄膜。此外，由于试样迅速加热将伴随一些融化和蒸发现象，同时在靶材表面产生一个动态应力场，从而显著地影响材料和涂层的质量。脉冲电子束的这些联合

5、作用也能够提高材料的物理化学性能和机械性能。因此，研究电火花沉积技术涂层增厚动力学、涂层的氧化抗力和HCPEB对涂层的影响有十分重要的工程意义。图1电火花沉积法(ESD)过程示意图(1)阴极;(2)阳极;(3)采集器;(4)真空室;(5)阴极等离子体;(6)阳极等离子;(7)电磁块;(8);等离子体源;(9)试样-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.试样材料和方法本论文中利用Elitron-22A电火花沉积设备在α+β钛合金(TC11)试样表面制备不同的涂层，图2显示实际电火花沉积过程。使用的电极材料：TC11合金作为基本的阴极材料，其化学成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-

6、0.3Si。涂层阳极材料有四种，分别是1)Cr20Ni80(20%Cr,80%Ni)；2)Cr；3)Ni；4)纯铝。图2电火花沉积法(ESD)过程氧化抗力测试方法：利用在马弗炉中加热使得试样氧化增重的方法来测试试样的氧化抗力。试样在马弗炉中分别在500ºC,600ºC,700ºC条件下加热高温氧化，接着将试样从炉中取出，每个试样取出的时间如下图3所示。图3热处理过程中的温度变化图-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.试验结果3.1ESD涂层的生长规律：研究涂层的质量传输动力学，能够为优化ESD涂层技术提供参考，如电极材料的选择，沉积时间的优化等，以此来获得最优的涂层。与时间相关的∆mк

7、、1010∆mа、阴极材料总重的增加量∑∆к和阳极材料总的侵蚀量∑∆а都取决于ESDt=1t=1喷涂过程工艺的参数。此外沉积层(DL)开始发生脆性断裂的时间tх，即阴极质量(MC)达到最大值或者是阴极质量第一次出现负值的时间，也就是涂层厚度最大的时间。材料在时间tх内的有效传输系数为Kср，可以由式(1-1)计算得到：∑∆ktxK=(1-1)cp∑∆atx图4为TC11合金不同阳极材料ESD涂层试样质量随时间变化的曲线。