【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(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)合功能涂層在制備和性能評價方法,揭示多尺度復(fù)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(fù)合物理氣相沉積技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計并制備出均尺度多層復(fù)合Ti/TiN、變尺度多層復(fù)合Ti/TiN以及等離子滲C復(fù)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(fù)合膜層性能的調(diào)制比、調(diào)制周期、復(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)、界面離子注入、真空退火后處理等對復(fù)合膜層界面失效方式的宏觀影響,總結(jié)了尺度多層復(fù)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(fù)合、層狀增韌的抗全攻角固體顆粒沖蝕新型復(fù)合功能膜層的設(shè)計與制備工藝方法,驗證了復(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)對于同步提升Ti/TiN膜層硬度與結(jié)合強度是不利的,通過設(shè)計的韌(Ti)/脆(TiN)重復(fù)疊加的均尺度多層結(jié)構(gòu)協(xié)同提高了復(fù)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(fù)合膜層的厚度可超過100μm,具備較高的膜基結(jié)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(fù)合TiN膜層提供了一個硬度呈梯度變化的預(yù)強化層,增加了膜基體系的剛性�；w預(yù)滲碳后,表面單層TiN的硬度由1000HV提高到2000HV,界面結(jié)合強度由25N提高到70N。相應(yīng)的,基體預(yù)滲碳復(fù)合多層復(fù)合Ti/TiN的表面硬度最高可達(dá)2870HV,在不降低摩擦性能的條件下,形成的復(fù)合滲鍍層膜基結(jié)合強度提高到近100N。(3)有限元模擬結(jié)果表明,不同尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)膜層內(nèi)部存在不同形態(tài)的應(yīng)力梯度,緩解膜基界面的應(yīng)力集中;對TC4鈦合金材料表面受固體粒子沖蝕下的沖擊應(yīng)力模擬表明,小角度沖蝕的最大瞬時應(yīng)力和穩(wěn)定后的應(yīng)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(fù)合膜層的結(jié)構(gòu)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(yīng)力誘發(fā)的裂紋沿界面快速失穩(wěn)剝落;多層復(fù)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(fù)合多層結(jié)構(gòu)膜層的失效方式根據(jù)膜層內(nèi)部形成的應(yīng)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�；w預(yù)滲碳使得界面沉積熱應(yīng)力得到緩解,較高的表面硬度及膜基結(jié)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(yù)滲碳強化提高了基體與復(fù)合膜層在硬度、熱膨脹系數(shù)、殘余應(yīng)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(fù)合界面的形成以及界面應(yīng)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(dǎo)致界面弱化并有效降低膜層體系的整體內(nèi)應(yīng)力,從而強化界面;(6)復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)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(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(yù)滲碳能夠進一步提高復(fù)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(fù)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(fù)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(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(yán)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(jié)構(gòu)完整性，引起壓氣機性能減退，嚴(yán)重影響航空發(fā)動機工作的技術(shù)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(yán)

圖 1-3 沖蝕率與沖蝕角度的關(guān)系Fig.1-3 Relationship between erosion rate and angle制備技術(shù)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(dá)

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本文編號：2757532