TiAl合金阀门的力学化学服役性能研究

• 作 者: 周宇
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 钛铝合金 钛镍涂层 疲劳裂纹扩展 电化学腐蚀 抗蠕变性能 声发射

TiAl合金由于具有低密度、良好的高温强度和抗蠕变、抗氧化能力而受到汽车生产商的广泛关注。用轻质TiAl合金作为汽车发动机的阀门材料替代传统的高温合金将极大程度地提高发动机效率、降低噪音、减少燃料消耗和尾气排放。但是TiAl阀门的生产成本较高，严重地阻碍了其发展。另外，苛刻的服役环境决定了阀门必须具备抵抗疲劳和腐蚀的能力。“CaO坩埚真空感应单步离心铸造技术”不但有效降低了TiAl阀门的生产成本，而且提高了铸造过程的填充率，保证了阀门的质量。本文通过自行设计制造的高温疲劳试验装置对该项技术制备的TiAl合金的疲劳性能进行了研究。结果表明，温度对TiAl合金的疲劳强度有明显影响，合金在400℃的疲劳强度最低，600℃的疲劳强度略高于室温的疲劳强度，750℃的疲劳强度最高但是表现出极大的分散性。　　
阀门在加工和服役过程中可能会形成不同程度的表面损伤或者内部缺陷，这些缺陷的存在意味着疲劳裂纹的萌生阶段已经不存在了(缺陷处就是裂纹萌生源)。因此，当存在缺陷时，疲劳裂纹扩展寿命占据了全部疲劳寿命的大部分。本文组建了一套长焦距显微镜图像存储系统，通过对TiAl合金室温疲劳裂纹扩展的原位观测得到疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度范围△K之间的关系。同时结合“声发射技术”研究TiAl合金的疲劳裂纹扩展行为。结果表明，TiAl合金的室温疲劳扩展速率较高，Paris指数达到7.4；另外研究发现TiAl合金的疲劳裂纹扩展速率da/dN与声发射振铃计数率dC/DN之间存在线性关系。　　
为了提高阀门的使用寿命，通常要在其表面制备涂层。本文利用空心阴极离子镀的方法在TiAl合金表面制备了Ti/TiN复合梯度涂层，研究了涂层对TiAl合金室温疲劳性能的影响。结果表明，与双层涂层相比，多层涂层由于具有更高的残余压应力、更高的硬度、与基体更好的结合力以及纳米尺度的层状结构，能够提高TiAl合金的疲劳强度。　　
阀门在使用时难免会受到Cl-的侵蚀，本文通过电化学试验方法(极化曲线、交流阻抗)对Ti/TiN涂层在NaCl溶液中的电化学腐蚀行为进行了初步研究，结果表明，Ti/TiN多层涂层由于存在大量界面，能够有效降低孔隙率，阻碍了腐蚀溶液向基体的渗透，从而表现出较高的耐蚀性能。