论文部分内容阅读
以TiAl和Ti3Al为基的Ti-Al合金是一种轻质的高温结构材料,具有高强度、高硬度、轻质、耐磨、耐高温和抗氧化优良特性,使用温度可达到700-1000℃,同时还具有很好的常温和高温力学性能,是当代航空、兵器以及民用工业最优秀的候选高温结构材料之一。材料表面性能的好坏是影响工件可靠性及使用寿命的关键因素。如果在材料表面合成Ti-Al表面合金层,则可以使材料表面具有Ti-Al合金的优良性能,从而提高材料的性能和使用寿命。而直接在Ti基体上合成以TiAl和Ti3Al为基的Ti-Al合金层,则可以在保持Ti基体原来性能的基础上,使其表面具有Ti-Al合金的优良性能,起到保护层的作用。本文首先在α-Ti基体上沉积一定厚度的Al膜,然后用不同参数的低能强流脉冲电子束辐照处理,如此交替反复,从而在α-Ti基体上合成Ti-Al表面合金层。利用扫描电子显微镜、电子探针、掠入射X射线衍射、透射电子显微镜和纳米压痕仪分析Ti-Al表面合金层的表面形貌以及成分、微观结构和纳米硬度从表面到基体沿深度方向的变化。研究结果表明：采用短脉宽工艺(即首先在α-Ti基体上沉积100nm厚度的Al膜,然后用脉宽为3μs,能量为5J/cm2的电子束辐照处理,如此循环不同次数)合成的Ti-Al表面合金层表面有微裂纹存在,但是经过后期电子束处理后裂纹可在一定程度上减少。经过强流脉冲电子束重熔形成的合金层厚度约3μm,在距表面约1μm的范围内Al原子百分含量保持在60%以上。合金层最表面为四方的纳米结构TiAl相和TiAl2相,在距离表面约2.5μm范围内合金层以TiAl为主,在基体附近含有少量的Ti3Al相。合金层内有位错增强现象发生。合金层纳米硬度相对基体有大幅度提高。由于强流脉冲电子束的反复重熔使Ti-Al合金层与a-Ti基体混合充分,之间没有明显的分界线。采用长脉宽工艺(即首先在α-Ti基体上沉积100nm厚度的Al膜,然后用脉宽为100μs,能量为10J/cm2的电子束辐照处理,如此循环不同次数)合成的Ti-Al表面合金层表面也有微裂纹存在。由于强流脉冲电子束脉宽较长并且能量较大,Al膜与α-Ti基体充分重熔,Al元素的扩散距离大大增加,合成的合金层厚度可达10μm,同时Ti-Al合金层与α-Ti基体之间也没有明显的分界线。但是合金层中Al元素的含量都比较低,在25%以下。合金层表面有约200nm厚度的Ti3Al纳米晶,内部有很多柳叶状的α-Ti晶粒。随着循环次数的增加,合金层中Ti3Al的含量也逐渐增加。在合金层内部也有位错增强现象发生。强流脉冲电子束辐照可以使合金层从表面到基体约20μm范围内的纳米硬度得到明显提高。总之,利用低能强流脉冲电子束辐照A1膜/Ti基体可以在α-Ti基体表面合成以TiAl和Ti3Al为基的表面合金层。