TC4鈦合金表面硼碳共滲及其耐摩擦磨損性能研究

發(fā)布時(shí)間：2020-08-26 04:13

【摘要】：TC4鈦合金是一種α+β鈦合金,其比強(qiáng)度高、密度小、熱強(qiáng)度高被廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、船舶等領(lǐng)域。然而其硬度低、耐磨性差限制了它進(jìn)一步的使用。在眾多的表面處理技術(shù)中,固體滲硼法因其形成的滲層可以大幅度的提升TC4的硬度和耐磨性且操作簡單而被廣泛應(yīng)用。但是現(xiàn)有的單一固體滲硼法得到的滲層都存在韌性低、脆性大等缺陷,為此本文采用以硼為基的硼碳共滲,以期在提升TC4鈦合金表面硬度和耐磨性的同時(shí)改善滲層的脆韌性。自制滲劑采用B_4C和無水硼砂作為供硼碳劑,稀土氧化鑭做催化劑,SiC和石墨作為填充劑,在950°C保溫12h,得到硼碳共滲層。采用SEM、EDS及XRD等來分析滲層的形貌、成分和相組成,檢測其粗糙度、硬度和潤濕性,并進(jìn)行了劃痕實(shí)驗(yàn)和納米壓痕實(shí)驗(yàn)。最后采用球-盤磨損實(shí)驗(yàn),研究滲層在不同載荷和不同摩擦副下的摩擦磨損性能。結(jié)果表明:(1)硼碳共滲過后,TC4鈦合金表面得到了TiB_2和TiB雙相結(jié)構(gòu),滲層總厚度約為17μm,最外層為TiB_2,厚度約為5μm,硬度約為3001HV;次表層為TiB相纖維狀結(jié)構(gòu),厚度約為12μm,硬度約為1800HV。在TiB層與TC4交界處有彌散分布的TiC相,由于滲劑中C含量較少未能形成有效的TiC過渡層。滲層整體硬度梯度較陡,壓痕形貌較為完整,脆性為3級(jí)。(2)為了得到有效的TiC過渡層,降低滲層脆性,在硼碳共滲前對TC4進(jìn)行固體滲碳預(yù)處理。預(yù)處理后TC4表面形成了約為11μm的TiC層,最外層凹凸不平并有富C原子的沉積層。(3)隨后進(jìn)行硼碳共滲,TC4鈦合金表面得到了TiB_2、TiB和TiC三相結(jié)構(gòu),厚度約為34μm。最外層以TiB_2相為主,厚度約為15μm,硬度約為2656HV;次表層以TiB為主,厚度約為6μm,硬度約為1500HV;最內(nèi)層以TiC相為主,該層較預(yù)處理前有所增長,厚度約為13μm,硬度約為910HV。滲層整體性能良好,表面粗糙度Ra約為0.316μm,水接觸角約為60.88°;硬度梯度變緩,壓痕形貌良好,脆性為1級(jí)。(4)球-盤磨損實(shí)驗(yàn)表明,在不同載荷和摩擦副條件下,硼碳共滲層可以有效的提高TC4鈦合金的耐摩擦磨損性能。載荷約大、摩擦副硬度約高,預(yù)處理對硼碳滲層耐摩擦磨損性能改善越明顯。相比于基體,滲層的摩擦系數(shù)、磨損面積顯著下降,且抗磨粒磨損性能增幅較大。(5)滲C預(yù)處理后可以提高B原子的擴(kuò)散速度,并抑制TiB相的生長,形成的TiC過渡層可以有效的改善滲層的脆韌性、提高耐摩擦磨損性能。
【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】：2018
【分類號(hào)】：TG156.82
【圖文】：

鈦合金,穩(wěn)定元素,客機(jī)

表 1.2 TC4 鈦合金機(jī)械性能σ0.2/MPa σb/MPa δ/％825 895 10 應(yīng)用開始，鈦及其鈦合金在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速和船舶等領(lǐng)域也獲得了廣泛應(yīng)用[7]。具體有以下含有 6％的 α 穩(wěn)定元素 Al 及 4％的 β 穩(wěn)定元素 V 高，綜合力學(xué)性能好，適用于制造飛機(jī)行各種零來我國鈦合金在航空上的應(yīng)用取得了巨大的進(jìn)步，%，在商用客機(jī) C919 上鈦合金使用含量高達(dá) 9.3%

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