【摘要】：鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能在航空航天、能源動(dòng)力、海洋工程、武器裝備及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代高端裝備的使用工況對(duì)材料性能提出了更高的要求,鈦合金未來應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊,例如在各類高性能葉片如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的部分中溫葉片基體,汽輪機(jī)制造領(lǐng)域的新型鈦合金末級(jí)大型葉片中發(fā)揮著極其重要的作用,但服役環(huán)境對(duì)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(chǎng)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(guān)鍵零部件應(yīng)用于極限工況的重要技術(shù)手段,對(duì)發(fā)揮鈦合金的優(yōu)點(diǎn)及擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。激光氣體氮化是當(dāng)前適用于大型異形零部件最靈活、經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)深層氮化、基材與氮化層的冶金結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)。本論文以常規(guī)生產(chǎn)條件下實(shí)現(xiàn)大型鈦合金葉片表面深層氮化技術(shù)需求為目標(biāo),針對(duì)大型復(fù)雜異形零部件表面氮化過程中存在的共性難題進(jìn)行了相關(guān)研究。首先采用半導(dǎo)體激光器對(duì)鈦合金平板表面進(jìn)行激光氣體氮化,重點(diǎn)研究了激光氣體氮化的工藝特性。明晰工藝參數(shù)對(duì)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(yàn)證了激光氣體氮化工藝應(yīng)用于此類復(fù)雜零部件的可行性,獲得了最優(yōu)工藝區(qū)間。但半導(dǎo)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(diào)節(jié)靈敏度,表面氮化復(fù)雜異性零部件的實(shí)施難度較大。為了適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)工況,設(shè)計(jì)了針對(duì)大型復(fù)雜異形零部件的光纖激光氮化系統(tǒng),基于機(jī)器人控制實(shí)現(xiàn)了大型葉片表面氮化的工藝過程。通過上述內(nèi)容研究獲得了以下結(jié)論:采用半導(dǎo)體激光器表面氮化鈦合金平板的研究結(jié)果表明:(1)純氮?dú)猸h(huán)境中激光氣體氮化隨基材運(yùn)動(dòng)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(duì)流線均很明顯,對(duì)流主導(dǎo)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?dú)猸h(huán)境中有較大差別,隨氮?dú)灞壤郎p小對(duì)流線逐漸消失,擴(kuò)散主導(dǎo)氮傳輸過程。但氮?dú)灞壤椭?%時(shí),熔池流動(dòng)行為發(fā)生突變,對(duì)流作用增強(qiáng)并主導(dǎo)氮傳輸過程,氮化層截面形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榘肭蛐涡蚊病？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?dú)猸h(huán)境中激光氣體氮化時(shí),隨激光功率增大或運(yùn)動(dòng)速度與焦距兩者中的一個(gè)減小,氮化層熔深和熔寬均呈增大趨勢(shì),成形系數(shù)減小;隨氮?dú)饬髁吭龃?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(shì);噴嘴距對(duì)氮化層幾何尺寸的影響總體不大,但對(duì)表面成形質(zhì)量影響很大。在稀釋氣體中氮?dú)灞壤?00%-18%之間減小時(shí),氮化層熔寬基本不變,熔深先增大后減小,但氮?dú)灞壤椭?%時(shí)熔深反而增大。(3)純氮?dú)猸h(huán)境中隨激光功率或氣體流量增大以及運(yùn)動(dòng)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(shí)氮化層表面變成銀白色;稀釋氮環(huán)境中隨氮?dú)灞壤郎p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?dú)猸h(huán)境中熱輸入較大時(shí)氮化層出現(xiàn)光滑區(qū)和粗糙區(qū),而熱輸入不足時(shí)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?dú)灞壤郎p小光滑區(qū)出現(xiàn)波紋狀結(jié)構(gòu),但當(dāng)?shù)獨(dú)灞壤椭?%時(shí),氮化層表面變光滑。(4)純氮?dú)猸h(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?dú)灞壤郎p小,單道和多道搭接氮化層中的裂紋減少,當(dāng)?shù)獨(dú)灞壤椭?%時(shí),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?dú)夂拖♂尩h(huán)境中進(jìn)行激光氣體氮化,氮化層與基材均實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合,氮化層組織由樹枝晶和針狀馬氏體組成。隨氮?dú)灞壤郎p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(dāng)?shù)獨(dú)灞壤抵?%時(shí),氮化層由針狀馬氏體組成。純氮?dú)猸h(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?dú)灞壤郎p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?jǐn)?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(dāng)激光功率為1400 W,板材運(yùn)動(dòng)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?dú)灞壤秊?%,搭接率為38%時(shí)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(shù)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(duì)比了半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的工藝特性及氮化層性能,結(jié)果表明半導(dǎo)體激光器的最優(yōu)工藝規(guī)范也適用于光纖激光器。針對(duì)大型鈦合金葉片自主設(shè)計(jì)了葉片定位夾具,并通過優(yōu)化工藝,編程機(jī)器人,規(guī)劃氮化路徑,采用光纖激光器基于機(jī)器人控制實(shí)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(cè)向噴嘴 (b)同軸噴嘴 (c)可控氣體反應(yīng)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(duì)流作用下使得熔池中氮速傳輸形成氮化物。文獻(xiàn)[11,57,58]詳細(xì)研究了 Ti-6Al-4V 合金激光氣體氮化顯微組織和相特征，結(jié)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(jié)構(gòu)，并且由于滲氮層內(nèi)冷卻速率不同，氮化層枝晶沿任意方向生長(zhǎng)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(kuò)散狀度變化，文獻(xiàn)[11,50,57]證明氮化層最表層二維形式生長(zhǎng)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(jìn)給氮?dú)鉂舛�、氮�(dú)饬魉�、激光脈沖能量及有關(guān)[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(yīng)擴(kuò)散為主，且應(yīng)用于低于β轉(zhuǎn)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(píng)價(jià)，裂紋獻(xiàn)[52,62-67]表明激光氣體氮化可提高鈦及氮?dú)饬髁康扔绊?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(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明電位極[54,70]將激光氮化的純鈦和 Ti-6Al-4V 合金實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(jìn)行氮化[57]。預(yù)熱預(yù)防高了塑性變形釋放應(yīng)力的可能性。稀釋的反應(yīng)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(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG178;TG146.23

【參考文獻(xiàn)】

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1 張建斌;余冬梅;;鈦及鈦合金的激光表面處理研究進(jìn)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(xué);沈火明;朱e

本文編號(hào)：2623097