【摘要】：飛機發(fā)動機壓氣機在高速旋轉(zhuǎn)壓縮空氣過程中,空氣中的沙塵顆粒會對葉片產(chǎn)生高速沖刷,在葉片的表面產(chǎn)生固體顆粒沖蝕,損害壓氣機葉片的結構完整性。本論文的主要目的就是研究在飛機發(fā)動機壓氣機葉片表面通過多尺度復合功能涂層材料提高其抗固體顆粒沖蝕性能,研究多尺度復合功能涂層在制備和性能評價方法,揭示多尺度復合功能涂層界面強化的機制。本文選擇發(fā)動機壓氣機葉片雙相鈦合金TC4為基體材料,以等離子擴滲復合物理氣相沉積技術為基礎,設計并制備出均尺度多層復合Ti/TiN、變尺度多層復合Ti/TiN以及等離子滲C復合多層Ti/Ti N抗沖蝕膜層。通過對影響多尺度等離子滲鍍復合膜層性能的調(diào)制比、調(diào)制周期、復合尺度等參數(shù)的研究,揭示它們對膜層性能的影響規(guī)律。利用劃痕法表征了基體滲碳、復合結構、界面離子注入、真空退火后處理等對復合膜層界面失效方式的宏觀影響,總結了尺度多層復合Ti/TiN界面強化機制,提出具有離子擴滲與等離子沉積梯度復合、層狀增韌的抗全攻角固體顆粒沖蝕新型復合功能膜層的設計與制備工藝方法,驗證了復合膜層的抗沖蝕性能,取得的主要研究成果如下:(1)研究發(fā)現(xiàn),變尺度復合結構對于同步提升Ti/TiN膜層硬度與結合強度是不利的,通過設計的韌(Ti)/脆(TiN)重復疊加的均尺度多層結構協(xié)同提高了復合膜層的強韌性。在最佳調(diào)制比0.2的前提下,調(diào)整周期的增加能夠使得Ti/TiN復合膜層的厚度可超過100μm,具備較高的膜基結合強度(70N)及表面顯微硬度(2750HV)(48周期)。與單層TiN相比,斷裂韌性值提高了近5倍,摩擦系數(shù)低至0.25左右,磨損率降低了近十倍;(2)輝光離子滲碳提高了鈦合金基體的表面硬度,為多層復合TiN膜層提供了一個硬度呈梯度變化的預強化層,增加了膜基體系的剛性�；w預滲碳后,表面單層TiN的硬度由1000HV提高到2000HV,界面結合強度由25N提高到70N。相應的,基體預滲碳復合多層復合Ti/TiN的表面硬度最高可達2870HV,在不降低摩擦性能的條件下,形成的復合滲鍍層膜基結合強度提高到近100N。(3)有限元模擬結果表明,不同尺度復合結構膜層內(nèi)部存在不同形態(tài)的應力梯度,緩解膜基界面的應力集中;對TC4鈦合金材料表面受固體粒子沖蝕下的沖擊應力模擬表明,小角度沖蝕的最大瞬時應力和穩(wěn)定后的應力為大角度沖蝕的60%左右,但小角度沖蝕造成的損傷深度大于大角度沖蝕時的損傷深度,良好的抗全攻角沖蝕性能需要硬質(zhì)膜層具備優(yōu)良的強韌性匹配;(4)復合膜層的結構影響著界面失效方式,其失效方式呈現(xiàn)出脆性或韌性的斷裂特征。在劃痕載荷作用下,單層TiN膜層的失效是由膜基界面較高殘余應力誘發(fā)的裂紋沿界面快速失穩(wěn)剝落;多層復合膜層增加的Ti調(diào)制韌性界面,有助于裂紋尖端的鈍化及偏轉(zhuǎn),失效呈現(xiàn)出顯微裂紋的抑制性擴展、偏轉(zhuǎn)及局部膜層的漸出式層狀剝落開裂特征;變尺度復合多層結構膜層的失效方式根據(jù)膜層內(nèi)部形成的應力梯度方向而呈現(xiàn)出界面脆性脫落或漸進式界面開裂機制。基體預滲碳使得界面沉積熱應力得到緩解,較高的表面硬度及膜基結合性能延長了裂紋萌生孕育期,但其失效機制仍舊是以更高載荷作用下的膜層表面接觸區(qū)裂紋萌生及沿Ti/TiN調(diào)制層界面的失穩(wěn)擴展為主;(5)界面強化研究表明,基體表面預滲碳強化提高了基體與復合膜層在硬度、熱膨脹系數(shù)、殘余應力等物理參數(shù)的匹配性,實現(xiàn)了膜基界面強度的提高;離子注入借助于梯度復合界面的形成以及界面應力水平的降低實現(xiàn)界面的強化;真空退火通過誘發(fā)元素互擴散導致界面弱化并有效降低膜層體系的整體內(nèi)應力,從而強化界面;(6)復合膜層結構使得其在被沖蝕過程中呈現(xiàn)出不同的界面失效機制。在單層TiN膜層中,由于存在較高的界面應力,膜基界面成為沖蝕顯微裂紋擴展的主要通道;軟硬交替的多層復合結構具有較好的強韌性匹配,膜層抵抗脆性裂紋擴展的能力得到加強,抗沖蝕性能尤其是大角度粒子沖蝕性能顯著得到增強;基體表面預滲碳能夠進一步提高復合滲鍍層體系的剛性,表現(xiàn)出了較好的抗小角度粒子沖蝕能力;真空退火使得復合滲鍍層的整體性及強韌性匹配得到優(yōu)化,較高的表面硬度和良好的韌性匹配使得滲碳復合6層Ti/Ti N膜層滿足了抗全攻角粒子沖蝕的需要,是TC4合金表面理想的抗沖蝕膜層。
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4;V233
【圖文】：

直升機和運輸機經(jīng)常需要在沙漠、海岸線等環(huán)境惡劣的機場強行起降，如圖 1所示。高速吸入發(fā)動機進氣道的沙塵顆粒會對發(fā)動機產(chǎn)生嚴重的沖蝕，造成發(fā)動機損傷，尤其是安裝在發(fā)動機前部的壓氣機，在高速沙塵顆粒等固體顆粒的沖蝕磨損下，損害壓氣機葉片的結構完整性，引起壓氣機性能減退，嚴重影響航空發(fā)動機工作的技術性能和可靠性[1,2]。

圖 1-2 葉片受沙礫沖蝕損傷形貌Fig.1-2 Morphology of blade by sand errsion發(fā)動機壓氣機葉片的固體顆粒沖蝕磨損由來已久。在經(jīng)歷越南、海灣和阿富汗等多次戰(zhàn)爭考驗后，美、俄等國家很早就意識到沙塵等固體顆粒沖蝕問題的嚴

圖 1-3 沖蝕率與沖蝕角度的關系Fig.1-3 Relationship between erosion rate and angle制備技術及研究現(xiàn)狀發(fā)動機壓氣機葉片沙塵沖蝕損傷問題，美國等發(fā)達

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李守英;戴景杰;莊蕾;;等離子滲鍍鉻鎳合金對Q235鋼表面性能的影響[J];電鍍與涂飾;2014年23期

2 趙煒;假性滲鍍現(xiàn)象探討[J];印制電路信息;2005年04期

3 劉檳,易茂中;粉末滲鍍技術研究情況淺議[J];湖南冶金;1999年04期

4 孔憲中;;粉末法可控滲鍍鋁新工藝[J];江蘇冶金;1989年05期

5 忻國梁;;熱管內(nèi)壁處理的新工藝——滲鍍的研究[J];能源研究與利用;1989年04期

6 姜云冬;姚正軍;張平則;繆強;;20鋼表面雙輝等離子鎢-碳滲鍍層制備及其耐磨性能[J];機械工程材料;2011年04期

7 張躍飛,陳飛,蘇永安,潘俊德,徐重;純銅離子滲鍍鈦層的耐蝕性[J];中國有色金屬學報;2001年S2期

8 張弘,蘇永安,古鳳英,徐重;鎢在不同溫度下形成的輝光離子滲鍍層的特性[J];中國腐蝕與防護學報;2000年01期

9 朱昌年,梁統(tǒng)琛;低溫硫鉬復合滲鍍工藝及其滲鍍層的綜合性能考察[J];摩擦學學報;1992年03期

10 郭海祥;石益仁;安明耀;范其貴;;低溫滲鍍表面復合強化[J];鑄鍛熱;1993年04期

相關會議論文 前6條

1 吳永p

本文編號：2757532