本文關(guān)鍵詞：雙輝制備Fe-Al-Nb合金涂層及其高溫氧化性能研究

  更多相關(guān)文章： Fe-Al-Nb合金層 雙輝等離子表面技術(shù) 納米壓痕 有限元分析 高溫氧化

【摘要】：Fe-Al金屬間化合物比強(qiáng)度高、耐蝕性優(yōu)異,但其加工困難、韌性差且高溫下的綜合性能不能滿足苛刻的服役環(huán)境,嚴(yán)重制約了其工業(yè)化應(yīng)用。研究表明,Nb是提高Fe-Al合金組織穩(wěn)定性、強(qiáng)韌性和耐高溫腐蝕性能的重要合金元素,因此,研發(fā)制備綜合性能優(yōu)異的Fe-Al-Nb合金層,解決涂層在復(fù)雜高溫工況條件下開裂甚至剝落的難題,將為Fe-Al金屬間化合物的實(shí)用化進(jìn)程提供新的技術(shù)路徑。本文通過熱浸鋁工藝在45鋼表面制備出Fe-Al合金層,然后利用雙輝等離子表面改性技術(shù)在Fe-Al合金層表面滲Nb,制備出Fe-Al-Nb合金層,探索出理想工藝參數(shù)為:源極電壓800V~900V、工件電壓350V~450V、試驗(yàn)溫度900℃~1000℃、工作氣壓40Pa、極間距20mm和保溫時(shí)間4h。其次,采用SEM、EDS和XRD等檢測手段對(duì)合金層的微觀形貌、成分分布和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。通過顯微硬度檢測、劃痕試驗(yàn)、有限元分析納米壓痕過程以及恒溫氧化試驗(yàn)對(duì)合金層的力學(xué)性能和抗高溫氧化性能進(jìn)行了深入地研究和分析。結(jié)果表明,Fe-Al-Nb合金層表面呈顆粒狀分布,均勻致密,與基體結(jié)合良好;合金元素沿截面呈梯度分布,主要物相包括Nb、Al Nb2、Fe7Nb6、Fe2Al5和Fe3Al;Fe-Al-Nb合金層表面顯微硬度900HV0.1,比Fe-Al合金層高100HV0.1,是基體的4.5倍;納米壓痕測試得到Fe-Al-Nb合金層的彈性模量為316.2GPa,比Fe-Al合金層大,顯示出更強(qiáng)的抵抗塑性變形能力;采用位移控制加載方式模擬壓痕過程,得到應(yīng)力應(yīng)變分布圖及載荷-位移曲線,與實(shí)驗(yàn)曲線吻合,采用力加載控制方式模擬壓痕過程,分析界面層上切應(yīng)力,定性判斷合金層與基體的結(jié)合性能,與劃痕實(shí)驗(yàn)相符;Fe-Al-Nb合金層氧化時(shí),外層Nb主要形成Nb2O5和Fe Nb O4,隨著氧化溫度的升高和氧化時(shí)間的延長,Nb2O5會(huì)開裂剝落,抗氧化性降低,Fe Nb O4逐漸增多,具有一定的抗氧化性,同時(shí)合金層與外層氧化膜之間還會(huì)形成Fe Al2O4和Al2O3的氧化物,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,連續(xù)致密,能有效阻止氧的擴(kuò)散,這種多層氧化膜結(jié)構(gòu)具有良好的抗氧化性。
【關(guān)鍵詞】：Fe-Al-Nb合金層 雙輝等離子表面技術(shù) 納米壓痕 有限元分析 高溫氧化
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.445
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-23
• 1.1 金屬間化合物的概述12-13
• 1.1.1 金屬間化合物的性能特點(diǎn)12
• 1.1.2 金屬間化合物的發(fā)展現(xiàn)狀12-13
• 1.2 Fe-Al金屬間化合物的研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 Fe-Al金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)13-15
• 1.2.2 Fe-Al金屬間化合物的性能特點(diǎn)15-17
• 1.2.3 Fe-Al合金存在的問題17
• 1.2.4 采用表面技術(shù)制備Fe-Al合金層17-18
• 1.2.5 合金化對(duì)Fe-Al合金層的作用18
• 1.3 Fe-Al-Nb合金層的制備18-21
• 1.3.1 熱浸鍍鋁技術(shù)制備Fe-Al合金層18-20
• 1.3.2 雙輝滲Nb制備Fe-Al-Nb合金層20-21
• 1.4 本課題的研究目的和研究內(nèi)容21-23
• 1.4.1 研究目的22
• 1.4.2 研究內(nèi)容22-23
• 第二章 Fe-Al-Nb合金涂層的制備23-34
• 2.1 研究方案總體設(shè)計(jì)23
• 2.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備23-25
• 2.2.1 原材料的準(zhǔn)備23-24
• 2.2.2 試驗(yàn)設(shè)備24-25
• 2.3 試驗(yàn)過程25-26
• 2.3.1 熱浸鍍制備Fe-Al合金層25
• 2.3.2 雙輝滲Nb制備Fe-Al-Nb合金層25-26
• 2.4 合金層檢測方法與儀器26-27
• 2.4.1 形貌與成分分析26
• 2.4.2 物相分析26
• 2.4.3 硬度檢測26-27
• 2.4.4 劃痕試驗(yàn)27
• 2.5 雙輝滲Nb制備Fe-Al-Nb合金層的工藝探索27-34
• 2.5.1 工作氣壓對(duì)滲Nb層的影響28-30
• 2.5.2 極間距對(duì)滲Nb層的影響30-31
• 2.5.3 保溫時(shí)間對(duì)滲Nb層的影響31-33
• 2.5.4 工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果33-34
• 第三章 Fe-Al-Nb合金層的組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能分析34-40
• 3.1 合金層的微觀組織形貌34
• 3.2 合金層元素分布34-36
• 3.3 合金層表面物相組成36-37
• 3.4 合金層顯微硬度測試37-38
• 3.5 合金層結(jié)合力測試38-39
• 3.6 本章小結(jié)39-40
• 第四章 有限元分析模擬納米壓痕過程40-53
• 4.1 納米壓痕試驗(yàn)40-44
• 4.1.1 試驗(yàn)設(shè)備與原理40-42
• 4.1.2 試驗(yàn)過程42
• 4.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析42-44
• 4.2 納米壓痕實(shí)驗(yàn)的有限元模擬44-47
• 4.2.1 幾何模型的建立44-45
• 4.2.2 材料屬性設(shè)置45
• 4.2.3 劃分網(wǎng)格45-46
• 4.2.4 創(chuàng)建接觸對(duì)46
• 4.2.5 設(shè)置邊界條件46-47
• 4.2.6 加載求解47
• 4.3 有限元模擬結(jié)果分析47-52
• 4.3.1 采用位移加載方式模擬47-50
• 4.3.2 采用載荷加載方式模擬50-52
• 4.4 本章小結(jié)52-53
• 第五章 Fe-Al-Nb合金層的高溫氧化行為研究53-65
• 5.1 金屬的高溫氧化53-57
• 5.1.1 金屬高溫氧化的定義與過程53-54
• 5.1.2 金屬高溫氧化的熱力學(xué)分析54-55
• 5.1.3 金屬高溫氧化的動(dòng)力學(xué)分析55-57
• 5.2 試驗(yàn)方案與設(shè)備57-58
• 5.3 高溫氧化行為研究58-64
• 5.3.1 600℃合金層的恒溫氧化行為58-60
• 5.3.2 700℃合金層的恒溫氧化行為60-62
• 5.3.3 800℃合金層的恒溫氧化行為62-64
• 5.4 本章小結(jié)64-65
• 第六章 結(jié)論與展望65-67
• 6.1 結(jié)論65-66
• 6.2 展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-72
• 致謝72-73
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文73

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：714620