Ti2AlNb合金表面等离子渗Al层相结构及其抗高温氧化机制

Ti2AlNb合金是航空、航天飞行器理想的新型高温结构材料，但该合金抗高温氧化性能不足而限制了其应用。针对现有的防护合金涂层易剥落、在高温下长期服役时因互扩散而导致抗氧化性能快速下降等问题，本项目将采用双层辉光等离子表面冶金技术对Ti2AlNb合金进行渗Al处理，形成与基体冶金结合的50-100μm厚的沉积层及富Al相扩散层的抗高温氧化复合合金层。本研究将基于第一性原理，计算Al原子在Ti2AlNb点阵中的不同占位及其形成能，预测渗层合金相结构并描述其形成机理；采用分子动力学的方法探讨合金相结构对氧溶解度的影响；应用Monte-Calo方法，建立高温下氧扩散的Wagner方程，探讨高温下合金层的氧化机理等。本课题的实施将有望解决Ti2AlNb 合金在高温下工作的热端部件急待解决的抗氧化性能差的难题，对研制新一代航空航天器具有重要的的应用前景和理论价值。

Ti2AlNb合金具有高的高温屈服强度、高的蠕变抗力和断裂韧性，以及低的缺口敏感性，作为新一代高温结构材料显示出巨大潜力。但因在高温环境下抵抗环境侵蚀和摩擦磨损等不足一定程度上制约Ti2AlNb合金的应用。因此，如何提高Ti2AlNb合金在高温条件下的抗腐蚀、抗磨损以及抗氧化性能已成为当今研究的热点和重点。本项目采用双辉技术在Ti2AlNb合金表面制备成分和结构呈梯度变化的渗铝层，提高基材的抗氧化性、抗热腐蚀性及耐磨性。通过第一性原理计算，从理论上分析了在Ti2AlNb表面渗铝的可行性。系统研究了工艺参数对Ti2AlNb-Al合金层形成的影响，对制备工艺进行优化。对渗铝层的高温氧化性能、热腐蚀性及耐磨性进行了深入研究，并与基材进行对比，在此基础上分析了渗铝对上述性能的影响规律与机理。.理论分析表明，Ti2AlNb中渗入铝，随着Al原子取代Ti原子数目的增加，亚稳相(Ti15Al9Nb8、Ti14Al10Nb8和Ti13Al11Nb8)的形成越来越容易，结构越来越稳定，证明Ti2AlNb-Al合金层的形成是可行的。通过优化制备工艺，在Ti2AlNb合金表面制备的渗Al层组织致密，厚度为17 µm，与基体结合良好，无孔隙﹑裂纹等缺陷。渗铝层明显提升了Ti2AlNb合金的显微硬度、纳米硬度以及弹性模量，并且在划痕实验、热震实验综合分析检测下，表现出较为理想的结合强度。Ti2AlNb合金表面等离子渗Al后，其高温耐磨性能得到有效的提高。渗层主要以磨粒磨损和氧化磨损为主要磨损机制，磨损边缘以粘着磨损为主。在650 ℃和750 ℃下，渗Al层的腐蚀增重明显小于基体，表现出一定的抗热腐蚀能力；而渗Al层经800 ℃热腐蚀50 h后表面则产生轻微剥落，由于其Al含量高，能生成新的Al2O3保护膜，对基体仍有良好的保护作用。.对渗Al层在高温氧化实验中(650℃、750℃和850℃)组织形貌和相结构进行了追踪观察和分析，揭示了渗层在高温氧化条件下的演变规律，从而深度剖析了渗层的抗高温氧化机理。在高温氧化时，渗层表层的富铝沉积层能为表面生成Al2O3 膜提供充足的Al 元素，一定程度上自发修复表面Al2O3 膜的损耗或剥落，从而延长其使用寿命，对航空发动机的减重及性能提高具有重要价值。