發(fā)布時間：2021-01-27 09:57

　　鈦及其合金具有高的比強度、好的抗蝕能力以及生物兼容性好等優(yōu)良特性,因此,被廣泛地應用到航空航天、醫(yī)學及能源工程等領域。例如新一代汽輪機葉片采用TC4鈦合金制造而成,但是會存在硬度低、摩擦因數(shù)高和耐磨性較差等問題。為了滿足實際的應用,需要對TC4鈦合金進行表面改性強化處理,提高硬度及耐磨性。而傳統(tǒng)表面強化處理方法（例如高溫滲氮、離子注入技術、物理氣相沉積以及化學氣相沉積等）具有生產(chǎn)效率低下、對基材性能產(chǎn)生影響、改性層與基材結合不牢固以及改性層深度太淺等一系列的問題和不足,而且這些處理方法不適用于對大型異形鈦合金工件的處理。因此,本文選用激光氣體氮化新型工藝對TC4合金進行表面強化處理。激光氣體氮化具有滲氮層與基材呈化學冶金結合、可實現(xiàn)局部處理和適用于對大型異形工件處理等優(yōu)點。對于諸如汽輪機葉片這類大型鈦合金工件的激光氣體氮化而言,希望的滲氮層應該具有硬度高、耐磨性高、層深大以及表面質量好等特性。國內外學者大多對激光氣體氮化的工藝優(yōu)化、改性層組織性能等進行研究,理論研究較少。而該過程中激光熱源與氣體相互作用產(chǎn)生的光致電離行為、激光熔池中物質的流動特征均會對氮化物的形成與分布產(chǎn)生影響,進而影... 

【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

陽極微弧碳氮化原理圖[24]

碩士學位論文5圖1.2陽極微弧碳氮化原理圖[24]3、鈦合金離子氮化技術鈦合金離子氮化技術主要具有氮化速度快、氮化層組織可控以及工件變形小等特點[27,28]。根據(jù)近幾年研究人員的努力，離子氮化技術成功發(fā)展出來離子注入技術、反應等離子噴涂以及脈沖高能量密度等離子體氮化技術等工藝方法。離子注入技術是指把摻雜劑的離子引入基材中的一種材料表面改性處理方法。該過程是在真空系統(tǒng)中進行的，用經(jīng)過加速的且具有特定功能的離子注入到固體材料的表面層，從而在所選擇離子注入的區(qū)域形成一個具有特殊性質的表面改性層。離子注入系統(tǒng)如圖1.3所示。圖1.3離子注入系統(tǒng)圖[27]離子注入技術的典型特征是:①純凈摻雜，因為整個過程是在真空條件下進行，并且借助高分辨率的質量分析器，使離子的純凈度非常高；②注入的離子濃度不受平衡固溶度的限制，且理論上也可以摻雜各種想要摻雜的元素；③由于對束流和加速電壓進行精確地控制，因此可以對注入離子的濃度和深度分布進行精確設置；④襯底溫度可自由選擇，可以根據(jù)需要自由選擇在低溫、室溫或者高溫環(huán)境進行離子注入；⑤大面積均勻注入，通過束流掃描裝置保證摻雜離子的均勻性；⑥離子注入技術一個最大不足是在于其獲得的改性層層深較淺（一般在1um以內），對于某些需要大層深的工件不適用[29]。

表面改性處理，對表面處理后得到的鈦合金試樣進行了表面成分的分析。離子注入后，試樣的顏色表現(xiàn)為淡金黃色，經(jīng)過XRD衍射分析和EDS能譜分析，表明經(jīng)離子注入后的試樣表面形成含氮化鈦的改性層，其主要化學成分為TiN和Ti4N2.33，他們的研究證明了利用氮等離子浸沒注入技術處理TC4鈦合金生成氮化鈦改性層的可能性。反應等離子噴涂技術是將等離子噴涂和自蔓延合成技術相結合的一種新工藝，發(fā)揮兩種工藝各自的優(yōu)點。該工藝具有沉積速度快，簡單易行的優(yōu)點，可制備最大厚度達300um的TiN涂層。反應等離子噴涂技術的工作原理如圖1.4所示[31]，在噴涂過程中，鈦粉體在等離子焰流作用下發(fā)生燃燒反應，部分鈦粉體可以氣化，形成尺寸極小的Ti顆粒，與經(jīng)加速器送入的氮氣發(fā)生化學反應，形成TiN液滴。在氣體和等離子焰流的共同作用下，TiN液滴高速飛行到鈦合金基材表面，隨后冷卻形成涂層。整個過程用時極短，易發(fā)生淬火效應．TiN晶核來不及長大，反應最終得到晶粒細小的涂層。圖1.4反應等離子噴涂示意圖[31]目前有關反應等離子噴涂TiN涂層的工作，多集中在制備工藝及耐磨損性能的研究上，關于涂層顯微硬度、韌性的研究鮮有。因為樣品制備存在困難，目前在實際工程上該技術還未得到應用。脈沖高能量密度等離子體技術具有激光束和電子束處理的優(yōu)點，能把不同元素注入到材料表面。該技術具有表面濺射、離子注人、沖擊波和強淬火效應等綜合效應，具有沉積膜層的溫度低、沉積效率高、能量利用率高等優(yōu)點，制備的膜層薄膜結構均勻、晶粒細小，膜與基體間有較寬的過渡層，硬度高、耐磨損、膜與基體結合力良好。該種技術的基本原理如圖1.5所示[14]，在鈦合金基材表面快速打入高能量密度等離子體，基材表面被作用區(qū)域出現(xiàn)局部快速熔化，緊接著發(fā)生快?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]α型鈦合金離子滲氮工藝[J]. 王琳,孫楓,王赟.  金屬熱處理. 2018(12)
[2]Ti6Al4V合金表面滲氮層的組織、耐摩擦和耐腐蝕性能[J]. 董敏鵬,吳國東,李金龍,馬付良,王志軍.  材料熱處理學報. 2018(10)
[3]TC4鈦合金的離子滲氮工藝[J]. 王琳,孫楓,王赟,佟小軍.  金屬熱處理. 2018(09)
[4]TC21鈦合金液相等離子體法制備碳氮滲層[J]. Rabin Basnet,張吳暉,閆鵬慶,楊凱,盧文壯.  機械制造與自動化. 2017(06)
[5]基于Fluent的鈦合金激光氮化機理及數(shù)值模擬[J]. 趙輝,許京荊,陳志磊,張永彬.  材料科學與工程學報. 2016(06)
[6]鈦合金液相等離子碳氮共滲的流場分析[J]. 馮森,盧文壯,左楊平,劉森,閆鵬慶,潘韓飛.  機械科學與技術. 2016(09)
[7]TC4鈦合金表面低壓滲氮層的顯微組織與耐磨性能[J]. 楊闖,劉靜,馬亞芹,洪流,王華.  機械工程材料. 2016(06)
[8]鈦合金表面氮化技術研究進展[J]. 劉鵬,劉曉鶴.  材料開發(fā)與應用. 2015(06)
[9]鈦合金表面氮化鈦改性層制備的研究進展[J]. 耿芃,楊闖.  鑄造技術. 2015(09)
[10]激光氮化原位直接合成涂層研究進展[J]. 唐普洪,毛杰,豐崇友,廖艷.  熱加工工藝. 2015(16)

博士論文
[1]負壓激光焊接過程蒸氣羽煙及熔池行為研究[D]. 羅燕.上海交通大學 2015
[2]鈦合金表面氮化層激光輔助制備及其力學性能研究[D]. 曹麗琴.華東理工大學 2010
[3]鈦表面機械強化及其激光合金化研究[D]. 張建斌.蘭州理工大學 2007

碩士論文
[1]TC4鈦合金表面氮氧共滲及其摩擦行為研究[D]. 胡林泉.南京航空航天大學 2019
[2]氮氣含量對Ti-6Al-4V合金激光氣體氮化層裂紋的影響[D]. 盧芳.浙江工業(yè)大學 2011



本文編號：3002858