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航空钛合金防爆工具外观激光气体氮化研究

标签:航空,合金,防爆,工具,外观,激光,光气,气体,氮化  2018-8-2 13:33:32  预览

  [摘 要]行使激光气体氮化方法,实现了钛合金防爆工具外观氮化处理。效果注解,当功率密度大于6.5×105W.cm-2时,生成物以TiN为主。因为Al的饱和蒸气压和蒸发速率均高于Ti,因此,在熔池外观形成贫铝层,促进了外观层Ti的氮化。热力学分析注解,激光熔池内生成TiN的反应较生成AlN的反应更具有热力学上风。   [关键词]激光氮化 航空合金 氮化机理   弁言   钛及其钛合金防爆工具因其具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等好处,自20世纪50 年代以来,在航空航天领域中得到了敏捷的发展及应用,成为现代飞机和发动机的重要结构材料之一。用钛合金防爆工具庖代不锈钢,不但可以减轻飞机的重量,而且可以进步结构服从。目前,钛及其钛合金防爆工具在飞机用材中所占比例越来越高。据报道,在不同机型中,钛合金防爆工具所占比例也不尽雷同。在客机波音777中为7%, 运输机C-17为10. 3%潍坊做网站,战斗机F-4为8%,F-15为25.8%,F-22为39%[1]。然而,因为钛合金防爆工具价格高,耐磨性差等缘故原由,使其应用领域受到了限定。因此,对钛及钛合金防爆工具外观进行适当的改性处理,进步其外观耐磨性和外观硬度,至关紧张。   氮化钛具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀等好处,将其用作保护层可大大进步外观硬度,改善耐磨性,有用延伸使用寿命[2]。A.Walker[3]等研究了钛及其合金外观激光氮化。国内外近年来采用离子束加强沉积(IED)[4,5],等离子氮化(PN)[6]等方法在钛合金防爆工具外观形成氮化钛薄膜。但这些方法都存在涂层厚度薄、结合度低、易于剥落等瑕玷。   为此,本文采用激光气体氮化方法,对钛合金防爆工具外观进行氮化处理。该方法进步了氮化结果关键词优化,简化了工艺。本文重要研究激光功率密度对氮化的影响,并对激光氮化机理进行分析。   1.实验材料及方法   实验材料选用TC4合金。经打磨、清洗后吹干待用。采用500WCO2延续激光进行激光氮化。N2气预热到200°C。热的氮束流和激光束同轴、同时到达样品外观。激光扫描速度为100 mm/min,激光功率密度范围为0.85×105 W.cm-2~8.5×105 W.cm-2。行使日本理学D/MAX-RB型X射线衍射仪进行物相分析。   2.实验效果及讨论   氮化处理后的样品外观的XRD效果如图1所示。由图1可见,与原始样品相比(图1a),当功率密度达到3.7×105W.cm-2时外观生成了氮化钛。随着激光功率密度的增大,氮化征象也渐渐显明。当功率密度大于7.8×105W.cm-2时,由图1(c),(d)可看出,此时氮化层重要物相为TiN,及少量Ti2N。这是由于当功率密度较低时,一方面不能在钛合金防爆工具外观形成激光熔池,另外也不能使氮气被充分激活,因而很难形成氮化。   3.氮化机理分析   经预热处理后,氮分子吸取一部分热能后,使得分子内能增长,再受到激光辐照时,很容易变成氮离子。另外,热的氮束流更能促进熔池内的对流活动,使Ti充分与N原子反应,促进了氮化反应的进行。   值得一提的是,实验中采用的Ti-6Al-4V合金,理论上,氮化物中应该有AlN生成,但现实却没有检测到。其缘故原由可归结如下:   第一,在激光熔池外观,除了存在熔化、氮化过程外,还存在金属元素的蒸发过程。哪种元素蒸发的快,响应地在外观这种元素与氮发生冶金反应生成的氮化物就少。在本研究过程中,激光氮化过程是在工业氮气氛下进行的。在此条件下,外观钛和铝均有显明的蒸发征象。不同温度下,Ti和Al的饱和蒸气压PTi、 PAl (单位Pa)和蒸发速率vTi 、vAl(单位g.cm-2.s-1)效果如表1所示。   由表1,在液态激光熔池内,Al的饱和蒸气压和蒸发速率均比Ti的高许多,因此,熔池内Al的原子百分数要远低于Ti,从而在熔池外观形成一个贫铝层,促进了外观层内Ti的氮化过程。   另外,从热力学角度来看,氮气与钛反应生成TiN的吉布斯自由能计算效果如表2所示。可以看出,TiN和AlN的生成反应的△G都为负值,雷同温度下,TiN反应的?G比AlN的更小些。因此,生成TiN的反应更具有上风。   4.结论   激光功率密度对氮化结果有很大影响。当功率密度大于6.5×105W.cm-2时,生成以TiN为主的氮化层。在雷同的温度下,Al的饱和蒸气压和蒸发速率均比Ti的高许多,在熔池外观形成一个贫铝层促进了Ti的氮化过程。从热力学角度分析,生成TiN的反应更具上风。   参考文献   [1] 彭艳萍,曾凡昌,王俊杰,等。国外航空钛合金防爆工具的发展应用及其特点分析[ J] . 材料工程, 1997, ( 10) : 3.   [2] 汪洪海,郑启光,陶星之,大功率 CO2 激光原位直接反应合成TiN/Ti 复合材料的研究[J],复合材料学报,1999,16(1):111。   [3] A.Walker,Laser melting treatment for metal surface [J], Surf. Eng.江苏人事考试网站, 1985,1(1):23.