鈦及其合金具有高的比強(qiáng)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(yīng)用到航空航天、醫(yī)學(xué)及能源工程等領(lǐng)域。例如新一代汽輪機(jī)葉片采用TC4鈦合金制造而成,但是會(huì)存在硬度低、摩擦因數(shù)高和耐磨性較差等問(wèn)題。為了滿足實(shí)際的應(yīng)用,需要對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行表面改性強(qiáng)化處理,提高硬度及耐磨性。而傳統(tǒng)表面強(qiáng)化處理方法（例如高溫滲氮、離子注入技術(shù)、物理氣相沉積以及化學(xué)氣相沉積等）具有生產(chǎn)效率低下、對(duì)基材性能產(chǎn)生影響、改性層與基材結(jié)合不牢固以及改性層深度太淺等一系列的問(wèn)題和不足,而且這些處理方法不適用于對(duì)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(duì)TC4合金進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。激光氣體氮化具有滲氮層與基材呈化學(xué)冶金結(jié)合、可實(shí)現(xiàn)局部處理和適用于對(duì)大型異形工件處理等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于諸如汽輪機(jī)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(yīng)該具有硬度高、耐磨性高、層深大以及表面質(zhì)量好等特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多對(duì)激光氣體氮化的工藝優(yōu)化、改性層組織性能等進(jìn)行研究,理論研究較少。而該過(guò)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(zhì)的流動(dòng)特征均會(huì)對(duì)氮化物的形成與分布產(chǎn)生影響,進(jìn)而影... 

【文章來(lái)源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁(yè)數(shù)】：78 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

陽(yáng)極微弧碳氮化原理圖[24]

碩士學(xué)位論文5圖1.2陽(yáng)極微弧碳氮化原理圖[24]3、鈦合金離子氮化技術(shù)鈦合金離子氮化技術(shù)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(diǎn)[27,28]。根據(jù)近幾年研究人員的努力，離子氮化技術(shù)成功發(fā)展出來(lái)離子注入技術(shù)、反應(yīng)等離子噴涂以及脈沖高能量密度等離子體氮化技術(shù)等工藝方法。離子注入技術(shù)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(guò)程是在真空系統(tǒng)中進(jìn)行的，用經(jīng)過(guò)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(gè)具有特殊性質(zhì)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(shù)的典型特征是:①純凈摻雜，因?yàn)檎麄�(gè)過(guò)程是在真空條件下進(jìn)行，并且借助高分辨率的質(zhì)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(duì)束流和加速電壓進(jìn)行精確地控制，因此可以對(duì)注入離子的濃度和深度分布進(jìn)行精確設(shè)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(jìn)行離子注入；⑤大面積均勻注入，通過(guò)束流掃描裝置保證摻雜離子的均勻性；⑥離子注入技術(shù)一個(gè)最大不足是在于其獲得的改性層層深較淺（一般在1um以內(nèi)），對(duì)于某些需要大層深的工件不適用[29]。

表面改性處理，對(duì)表面處理后得到的鈦合金試樣進(jìn)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(guò)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(xué)成分為TiN和Ti4N2.33，他們的研究證明了利用氮等離子浸沒(méi)注入技術(shù)處理TC4鈦合金生成氮化鈦改性層的可能性。反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)是將等離子噴涂和自蔓延合成技術(shù)相結(jié)合的一種新工藝，發(fā)揮兩種工藝各自的優(yōu)點(diǎn)。該工藝具有沉積速度快，簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，可制備最大厚度達(dá)300um的TiN涂層。反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)的工作原理如圖1.4所示[31]，在噴涂過(guò)程中，鈦粉體在等離子焰流作用下發(fā)生燃燒反應(yīng)，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?dú)獍l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(gè)過(guò)程用時(shí)極短，易發(fā)生淬火效應(yīng)．TiN晶核來(lái)不及長(zhǎng)大，反應(yīng)最終得到晶粒細(xì)小的涂層。圖1.4反應(yīng)等離子噴涂示意圖[31]目前有關(guān)反應(yīng)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(guān)于涂層顯微硬度、韌性的研究鮮有。因?yàn)闃悠分苽浯嬖诶щy，目前在實(shí)際工程上該技術(shù)還未得到應(yīng)用。脈沖高能量密度等離子體技術(shù)具有激光束和電子束處理的優(yōu)點(diǎn)，能把不同元素注入到材料表面。該技術(shù)具有表面濺射、離子注人、沖擊波和強(qiáng)淬火效應(yīng)等綜合效應(yīng)，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(diǎn)，制備的膜層薄膜結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細(xì)小，膜與基體間有較寬的過(guò)渡層，硬度高、耐磨損、膜與基體結(jié)合力良好。該種技術(shù)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(xiàn)】：
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(guó)東,李金龍,馬付良,王志軍.  材料熱處理學(xué)報(bào). 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(jī)械制造與自動(dòng)化. 2017(06)
[5]基于Fluent的鈦合金激光氮化機(jī)理及數(shù)值模擬[J]. 趙輝,許京荊,陳志磊,張永彬.  材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2016(06)
[6]鈦合金液相等離子碳氮共滲的流場(chǎng)分析[J]. 馮森,盧文壯,左楊平,劉森,閆鵬慶,潘韓飛.  機(jī)械科學(xué)與技術(shù). 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(jī)械工程材料. 2016(06)
[8]鈦合金表面氮化技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 劉鵬,劉曉鶴.  材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用. 2015(06)
[9]鈦合金表面氮化鈦改性層制備的研究進(jìn)展[J]. 耿芃,楊闖.  鑄造技術(shù). 2015(09)
[10]激光氮化原位直接合成涂層研究進(jìn)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(fù)壓激光焊接過(guò)程蒸氣羽煙及熔池行為研究[D]. 羅燕.上海交通大學(xué) 2015
[2]鈦合金表面氮化層激光輔助制備及其力學(xué)性能研究[D]. 曹麗琴.華東理工大學(xué) 2010
[3]鈦表面機(jī)械強(qiáng)化及其激光合金化研究[D]. 張建斌.蘭州理工大學(xué) 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(xué) 2019
[2]氮?dú)夂繉?duì)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(xué) 2011



本文編號(hào)：3002858