【摘要】：鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能在航空航天、能源動力、海洋工程、武器裝備及生物醫(yī)學等領域得到廣泛應用。現(xiàn)代高端裝備的使用工況對材料性能提出了更高的要求,鈦合金未來應用領域更為廣闊,例如在各類高性能葉片如航空發(fā)動機、燃氣輪機壓氣機的部分中溫葉片基體,汽輪機制造領域的新型鈦合金末級大型葉片中發(fā)揮著極其重要的作用,但服役環(huán)境對材料的耐磨性提出了較高要求。由于鈦合金基體的耐磨性欠佳,某些場合下無法滿足高端產(chǎn)品的服役工況。有效提高耐磨性是鈦合金關鍵零部件應用于極限工況的重要技術手段,對發(fā)揮鈦合金的優(yōu)點及擴展應用領域具有重要的工程應用價值。激光氣體氮化是當前適用于大型異形零部件最靈活、經(jīng)濟和有效的表面改性手段之一,具有變形小、制備周期短、組織可控、實現(xiàn)深層氮化、基材與氮化層的冶金結合強度高等優(yōu)勢。本論文以常規(guī)生產(chǎn)條件下實現(xiàn)大型鈦合金葉片表面深層氮化技術需求為目標,針對大型復雜異形零部件表面氮化過程中存在的共性難題進行了相關研究。首先采用半導體激光器對鈦合金平板表面進行激光氣體氮化,重點研究了激光氣體氮化的工藝特性。明晰工藝參數(shù)對氮化層橫截面形貌、幾何尺寸、氮化層表面成形特征、表面粗糙度、裂紋、組織、硬度、氮化層物相及耐磨性的影響規(guī)律,驗證了激光氣體氮化工藝應用于此類復雜零部件的可行性,獲得了最優(yōu)工藝區(qū)間。但半導體激光器光軸固定,激光器姿態(tài)無法隨三維曲面曲率變化而改變,且曲率變化大于激光器焦距的調節(jié)靈敏度,表面氮化復雜異性零部件的實施難度較大。為了適應實際生產(chǎn)工況,設計了針對大型復雜異形零部件的光纖激光氮化系統(tǒng),基于機器人控制實現(xiàn)了大型葉片表面氮化的工藝過程。通過上述內容研究獲得了以下結論:采用半導體激光器表面氮化鈦合金平板的研究結果表明:(1)純氮氣環(huán)境中激光氣體氮化隨基材運動速度減小氮化層橫截面依次出現(xiàn)半球形、指狀、多指狀及W形四種典型形貌,這四種形貌的對流線均很明顯,對流主導激光氣體氮化的氮傳輸過程;稀釋氮環(huán)境中氮化層橫截面形貌與純氮氣環(huán)境中有較大差別,隨氮氬比例減小對流線逐漸消失,擴散主導氮傳輸過程。但氮氬比例低至5%時,熔池流動行為發(fā)生突變,對流作用增強并主導氮傳輸過程,氮化層截面形貌轉變?yōu)榘肭蛐涡蚊��？傮w而言,無論何種氮化氣氛,理想的氮化層橫截面形貌為半球形形貌。(2)在純氮氣環(huán)境中激光氣體氮化時,隨激光功率增大或運動速度與焦距兩者中的一個減小,氮化層熔深和熔寬均呈增大趨勢,成形系數(shù)減小;隨氮氣流量增大,氮化層熔深和熔寬先減小然后趨于定值,成形系數(shù)呈增大趨勢;噴嘴距對氮化層幾何尺寸的影響總體不大,但對表面成形質量影響很大。在稀釋氣體中氮氬比例在100%-18%之間減小時,氮化層熔寬基本不變,熔深先增大后減小,但氮氬比例低至5%時熔深反而增大。(3)純氮氣環(huán)境中隨激光功率或氣體流量增大以及運動速度或焦距減小,氮化層表面顏色由暗變亮,但熱輸入過大時氮化層表面變成銀白色;稀釋氮環(huán)境中隨氮氬比例減小,氮化層表面顏色先由明亮的金黃色逐漸變暗且顏色加深后逐漸變?yōu)殂y白色。純氮氣環(huán)境中熱輸入較大時氮化層出現(xiàn)光滑區(qū)和粗糙區(qū),而熱輸入不足時氮化層表面變粗糙;稀釋氮環(huán)境中氮化層均出現(xiàn)光滑區(qū)和粗糙區(qū),隨氮氬比例減小光滑區(qū)出現(xiàn)波紋狀結構,但當?shù)獨灞壤椭?%時,氮化層表面變光滑。(4)純氮氣環(huán)境中制備的單道氮化層表面產(chǎn)生縱向和橫向裂紋,氮化層橫截面上產(chǎn)生貫穿氮化層終止于基材的縱向裂紋,而多道搭接氮化層中不可避免的出現(xiàn)網(wǎng)狀交織裂紋;稀釋氮環(huán)境中隨氮氬比例減小,單道和多道搭接氮化層中的裂紋減少,當?shù)獨灞壤椭?%時,由于氮化層硬度降低且氮化層組織由馬氏體組成,能夠完全消除單道和搭接氮化層中的裂紋。(5)在純氮氣和稀釋氮環(huán)境中進行激光氣體氮化,氮化層與基材均實現(xiàn)良好的冶金結合,氮化層組織由樹枝晶和針狀馬氏體組成。隨氮氬比例減小,氮化層中樹枝晶的含量逐漸減小,針狀馬氏體逐漸增多,當?shù)獨灞壤抵?%時,氮化層由針狀馬氏體組成。純氮氣環(huán)境中氮化層硬度及氮化層由表及里的硬度梯度最大,隨氮氬比例減小氮化層硬度及硬度梯度減小,由于工藝參數(shù)影響樹枝晶的面積分數(shù)、樹枝晶形貌、分布、尺寸以及物相從而影響氮化層硬度。(6)當激光功率為1400 W,板材運動速度在3-20mm/s范圍,焦距為280-285 mm,氣體流量為25-30 L/min,噴嘴距為3-5 mm,氮氬比例為5%,搭接率為38%時可獲得層深大于500 um,表面硬度大于600 HV,表面成形良好,無裂紋的搭接氮化層,滿足葉片技術要求。(7)激光氣體氮化鈦合金可使其耐磨性較基材大幅提高。對比了半導體激光器和光纖激光器的工藝特性及氮化層性能,結果表明半導體激光器的最優(yōu)工藝規(guī)范也適用于光纖激光器。針對大型鈦合金葉片自主設計了葉片定位夾具,并通過優(yōu)化工藝,編程機器人,規(guī)劃氮化路徑,采用光纖激光器基于機器人控制實現(xiàn)了大型鈦合金葉片樣片的表面氮化。
【圖文】：

圖 1.1 激光氣體氮化的送氣裝置[7](a)側向噴嘴 (b)同軸噴嘴 (c)可控氣體反應腔室 (d)環(huán)隙噴嘴(2)激光氣體氮化的物理冶金過程、熔深、組織形成、演化規(guī)律及物相的研熔融的鈦合金熔池中快速溶解，在溫度梯度和對流作用下使得熔池中氮速傳輸形成氮化物。文獻[11,57,58]詳細研究了 Ti-6Al-4V 合金激光氣體氮化顯微組織和相特征，結果表明表面高氮區(qū)晶體尺寸較大，并且枝晶主軸與表面垂直，隨深度增加，枝狀晶尺寸逐漸變小直至近熱影響區(qū)生成了體結構，并且由于滲氮層內冷卻速率不同，氮化層枝晶沿任意方向生長亂無章。氮化層主要由α -Ti 和 TiNx組成，x 值反映了氮在基體中的擴散狀度變化，文獻[11,50,57]證明氮化層最表層二維形式生長的薄層是 TiN。由于過程是一不平衡的過程，因此還生成 hcp TiN0.3，，tet Ti2N 等。氮化物的以及熔深與激光工藝參數(shù)、進給氮氣濃度、氮氣流速、激光脈沖能量及有關[59,60]。Zhecheva A 等[61]提出了激光氮化純鈦過程中氮化層形成和生物理模型，該模型以反應擴散為主，且應用于低于β轉變溫度的氮化過程1.2 所示。

圖 1.2 激光氮化純鈦過程中氮化層物相分布[61化層硬度、耐磨耐蝕等性能的評價，裂紋獻[52,62-67]表明激光氣體氮化可提高鈦及氮氣流量等影響 TiN 數(shù)量和 TiN 層厚度，層硬度[51,57,67,68]。Yue T M 等[69]將激光氮l 溶液中進行腐蝕實驗，結果表明電位極[54,70]將激光氮化的純鈦和 Ti-6Al-4V 合金實驗，結果表明形成的氮化層較純鈦及將激光氮化后的鈦合金試樣在 700 ℃下氧化能力明顯提高[69]�；^程中產(chǎn)生的裂紋有三種方法來減少73]和稀釋氮環(huán)境中進行氮化[57]。預熱預防高了塑性變形釋放應力的可能性。稀釋的反應速度及減小了氮化鈦的數(shù)量，但s 等人[33]研究指出脈沖式激光可通過階梯
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TG178;TG146.23

【參考文獻】

相關期刊論文 前9條

1 張建斌;余冬梅;;鈦及鈦合金的激光表面處理研究進展[J];稀有金屬材料與工程;2015年01期

2 朱永奎;蔡振兵;張廣安;彭金方;沈明學;沈火明;朱e

本文編號：2623097