钛合金加弧辉光渗镀铝提高高温氧化性及耐蚀性开题报告

基材表面形成无氢且无结合强度问题的含有游离碳和TiC
的扩散层，从减摩和抗磨两方面改善了Ti6AI4V的摩擦
学性能，又避免了钛合金的氢脆问题，其摩擦系数降为
等离子表面冶金技术
双辉渗镀技术 加弧辉光渗镀技术
一
选
—空间金属、未来的钢铁
题
的
比强度最高 在高温和低温下都能保持高的强
背
度
景
无可匹敌的耐蚀性 室温条件下不与氯气、稀
硫酸、稀盐酸、硝酸作用，在淡水和海水中有
极高的抗蚀性
资源丰富 （仅次于O、Si、Al、Fe、Ca、Na、 K、Mg，列第九位）
质量轻 密度为4.5g/cm3，仅为钢的60%
背
钉、螺母上进行渗钛，渗层厚度可达40μm左右，试件进
景
行盐雾试验，结果表明，盐雾试验96h无锈斑，240h后有 少量的腐蚀，证明抗蚀性能大大提高。
2）利用加弧辉光离子渗镀技术在 高速钢钻头、铣刀等工具表面镀TiN 薄膜进行的工艺性能研究表明，耐蚀、 耐磨性能大大提高，切削性能可提高 4~6倍，表面金黄色也十分美观。
一
选
对于Ti6Al4V合金，它的高温使用温度为
题
300℃左右，近α钛合金的使用温度为
的
600℃，γ-TiAl最高只能达到800℃左右。
背
钛合金不高的抗高温氧化能力严重限制了其
景
广泛应用。因此，提高钛合金的抗高温氧化
能力就成了亟待解决的重大课题。
——必须进行合适的改性处理
一
提高钛合金抗高温氧化性能常用的措施：
加 在被处理工件周围设置辅助源极，利用辉
弧 辉 光 离
光放电空心阴极效应使工件迅速升温，它 既是加热源又是欲渗元素的辅助供给源。 同时在真空容器壁上设置一个或多个金属
景
子 阴极电弧靶源,利用真空电弧放电引燃电 渗 弧源,不断地发射出高能量、高电流密度
镀 技 术 简
、高离化率的欲渗金属离子流，在工件负 偏压的作用下加速到达工件表面，使工件 进一步升温到渗金属的温度。依靠扩散和
（5）渗镀层成分呈梯度分布、硬度也呈梯度分
布，不存在“膜基结合力”问题
（6）合金渗镀层成分基本可控，成分变动范围
大，这是许多传统渗金属方法所难以做到的。
（7）无污染，工作条件好，节约能源。
一
研究现状
选
（一）加弧辉光离子渗镀技术目前已在碳钢、合金钢
题
等表面成功地制备出抗蚀耐磨层。
的
1）用加弧辉光离子渗镀技术在用A3钢制作的紧固件螺
选
①基体合金化：合金元素的加入在一定范围内
题
提高了钛合金的抗氧化能力，然而由于是整体
的
加入，所加的元素不仅浪费严重，且影响了钛 合金原来的一些力学性能。
背
景
②表面处理：通过在钛合金表面形成一层抗
氧化涂层，合金的抗氧化能力由涂层来提供，
而力学性能由钛合金基体来完成。因此，一
方面大大地减少了抗氧化元素的用量，节省
材料的表面进行改性，提高材料及其制品耐腐蚀、耐磨损、
减磨、润滑、抗高温氧化及抗疲劳性能，可以达到延长金
属材料使用寿命的目的。基于工程需要，发展出了表面工
程学科。
一
表面工程技术成为当代世界十大关键技术之一。
选
海洋工程技术
题
微电子光
的
电子技术
表面工程技术
背
信息技术
新材料技术
景
十大关键技术
纳米技术
先进制造技术
镀 铝 提 高 高 温 氧 化 性
开
内容
题
选题的背景
报 告
研究的目的及意义
研究内容
研究方法及技术路线
进度计划
研究团体
预期成果
一
选
在工程材料实际应用中，损伤多发
题
生在材料的表面，如材料的疲劳、腐
的
蚀和磨损对材料的表面结构和性能极
背 景
其敏感，所以材料表面的结构和性能
直接影响工程金属材料的综合性能指
一
（二）目前，在钛及钛合金表面加弧辉光处理中，有
选
关提高耐磨及耐蚀性的研究较多。
题
1）对钛合金Ti6Al4V表面加弧辉光渗镀Cr-Ni后，表
的
面硬度大幅提高，耐磨性优于离子氮化处理，并且具有
背
高的抗含Cl-水溶液腐蚀性能。
景
2）在加弧辉光离子渗镀技术中利用高纯石墨制成冷
阴极电弧石墨靶，对Ti6AI4V钛合金进行离子无氢渗碳，
新能源技术
航空航天技术
生物工程技术
一
表面工程包括
选
题
表面工程基础理论
的
表面涂覆技术
背
表面改性技术
景
表面复合处理技术
表面加工技术
表面分析技术
表面性能检测
表面工程技术设计
一
选
题
的
表
背
面 改
景
性
技
术
喷丸强化 表面热处理 化学热处理 高能束表面改性
固体、液体、气 体真空渗碳 离子渗镀 氮化
离子注入
激光表面合金化
标。
一
金属材料制品损伤主要有
选
题
的
腐蚀
磨损 疲劳断裂 高温氧化
背
损伤破坏带来的经济损失十分惊人。如腐蚀一项，据统
景
计全世界钢产量的1/10由于腐蚀而损耗，1995年美国因 腐蚀造成的损失达3000亿美元，而我国每年因腐蚀造成
的损失至少达2000亿元，磨损造成的损失与之相近。
因此，在不降低金属材料整体性能的前提下，通过对
介 离子轰击作用快速渗入工件表面层，在工
件表面可以形成渗层、镀层、渗镀结合层
，也可以合成各种化合物薄膜。
一
加弧辉光离子渗镀技术具有下列优点：
选
（1）渗速极快，平均值为（300~700）μm/h。
题源自文库
的
（2）工件形状不受限制，可在炉内任意排放。
背
（3）工件可以转动，能实现均匀渗镀。
景
（4）在金属零件表面可以合成特殊用途的薄膜
一
选
题
的 背
钛合金
景
航空航天 化工 医疗 海洋
日常生活用品
一
钛合金的主要缺点
选
题
硬度低、摩擦系数高
的
硬度低、摩擦系数高、易和其它材料发生
背
粘着磨损，耐磨性差等。
景
抗高温氧化能力差
钛合金的抗氧化性能主要取决于在服役条件 下表面能否形成致密的保护性氧化膜。高温 钛合金Ti6Al4V中含有6%左右的铝不足以 在表面形成连续致密的Al2O3氧化膜，氧化 时形成由多孔的TiO2为主的氧化膜，抗氧化 能力差。
率高(疏松)、与基体结合力差、容易开裂或剥落
激光表面处理——设备昂贵，处理面积小，适用
面小，产业化较困难
固态粉末扩散渗铝——渗层室温较脆，长时间高
温扩散费时、耗能，且渗剂的分解产物污染环境
电镀与化学镀——处理液污染环境
一
加弧辉光离子渗镀技术原理是在双层辉
选
光离子渗金属装置中引入冷阴极电弧源，
题 的 背
了资源；另一方面由于涂层的加入只对合金
表面的化学成分有所改变，而钛合金的力学
性能基本没有改变，因而是提高钛合金抗高
温氧化性能最经济有效的方法。
一
目前钛合金表面处理的方法：
选
电镀、化学镀
题 的
火焰喷涂和等离子喷涂 激光表面处理 固态粉末扩散渗铝
背 存在的问题：
景
火焰喷涂和等离子喷涂——涂层组织粗大、孔隙