本文關(guān)鍵詞：鈦合金真空脈沖氮化及動力學(xué)研究

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【摘要】：鈦合金有著優(yōu)越的綜合性能,而被廣泛應(yīng)用于國防、化工、能源、航空航天和生物工程等領(lǐng)域。但鈦合金依然存在著表面硬度不高,耐磨性及疲勞性差等問題,在很多情況下不能滿足實際生產(chǎn)需要。為此我們希望在其表面制備具有與基體結(jié)合強度高、硬度梯度均勻變化、耐磨性好、具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及生物兼容性的改性層,以擴大其使用范圍,延長使用壽命。與傳統(tǒng)鈦合金表面強化方式不同,本文提出了在真空狀態(tài)下采用氣體脈沖的方式對鈦合金進行表面改性。研究了不同工藝參數(shù)對鈦合金滲層組織、結(jié)構(gòu)、硬度及耐蝕性的影響,以及滲氮過程中的機理及動力學(xué)模型。主要研究內(nèi)容如下:(1)首先采用真空脈沖的試驗工藝,探究滲氮溫度、滲氮壓力、氮氬混合等不同實驗參數(shù)對TA2鈦合金表面改性層的影響。結(jié)TA2工業(yè)純鈦在750-900℃下氮化處理后,表面生成性能穩(wěn)定且與基體結(jié)合緊密的氮化層,其主相為TiN0.3。氮化層厚度隨溫度的升高而增加,但是溫度的升高會導(dǎo)致基體組織粗大。與原樣相比腐蝕速率降低了2個數(shù)量級,900℃時滲氮層表面硬度可達HV1001,比基體硬度(HV210)提高約5倍,耐磨速率由原樣的0.1573cm3/N.h減小到0.0004cm3/N.h,降低了3個數(shù)量級;滲氮的壓力大小影響滲氮層的相組成,負壓有利于N原子的真空滲入,利于滲氮層厚度的增加。但壓力對滲氮層的影響并不如溫度對它的影響大;采用不同氮氬比對TA2進行氮時,氮含量越低越利于擴滲,但是過少的有效活性N原子的不利于滲層的致密性和厚度增強,隨著氮分壓的增大,滲氮層表面越為致密,同時導(dǎo)致N原子擴散難度增大。(2)為了改善鈦合金單獨氣體氮化存在的問題,本文提出了一種碳氮復(fù)合滲工藝。TA2鈦合金進行碳氮復(fù)合滲處理后的表面性能比單獨氣體滲氮表現(xiàn)的更為優(yōu)異。改性層也由單純的鈦的氮化物相轉(zhuǎn)變?yōu)殁伒奶嫉飶?fù)合相(TiN0.3、C0.7N0.3Ti、TiN/TiC),這種碳氮復(fù)合改性層與基體過渡均勻,形成的硬度梯度平緩,耐磨性與耐蝕性也得到了提高。相對原樣下降了4個數(shù)量級,比單獨氣體滲氮的下降了1個數(shù)量級(3)鈦合金氣體氮化屬于典型的氣固反應(yīng),在理想狀態(tài)下,氣固反應(yīng)動力學(xué)受內(nèi)擴散和表面滲透兩種因素控制;在實際反應(yīng)過程中,“滲透控制”和“擴散控制”在滲氮過程中隨著反應(yīng)時間的變化可能呈現(xiàn)不同的控速比重。本文采用一種新的動力學(xué)模型對鈦合金滲氮與碳氮復(fù)合滲動力學(xué)反應(yīng)進行模擬,在模型中引入新的參數(shù)——控制系數(shù)n,用于判斷滲氮過程中的控速機理。當(dāng)n值小于1時,氣固反應(yīng)中內(nèi)擴散控制所占的比重大于滲透控制。當(dāng)n大于1時,反之。對實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析后發(fā)現(xiàn):鈦合金采用單獨滲氮時,內(nèi)擴散為主要的控速環(huán)節(jié),而采用復(fù)合滲時,表面滲透則為主要控速環(huán)節(jié)。
【學(xué)位授予單位】：貴州師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.23;TG156.8

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