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《太原理工大学》 2012年
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钛合金表面Ni改性层韧性及耐磨性的研究

王振霞  
【摘要】:钛合金在航空航天、石油化工等领域得到越来越广泛的应用,它具有高的比强度,优异的耐蚀性及生物相容性等一系列优点。然而由于其硬度低、导热性差的本征特性,摩擦中易发热粘着,耐磨性差。由于大量的钛合金零部件工作在具有摩擦和微动磨损的条件下,因此通过表面改性处理改善其摩擦学行为是必需的环节。 本文采用等离子表面冶金技术,以TiNi二元合金及纯Ni板作为源极,在钛合金表面通过合金化获得TiNi合金层和Ni合金层,以提高钛合金耐磨性。 本文系统研究了工艺参数对TiNi合金层和Ni合金层形成的影响,进而优化了工艺,并对合金层进行表征。对TiNi合金层和Ni合金层进行了耐磨性对比,结果表明Ni合金层更具有优势。采用多冲实验对比了Ni合金层及硬质薄膜材料的结合强度及韧性。研究了Ni合金层在室温及高温干摩擦滑动、微动磨损条件及腐蚀磨损条件下的摩擦学性能,并与未处理的基材进行对比,讨论分析了各种摩擦环境下的磨损机理。主要研究结果如下:(1)采用纯Ni板作为源极时(简称Ni合金化)的优化工艺参数为:保温温度900℃,工作气压45Pa,保温时间3h,源极电压600~800V,工件电压300~600V,源极与阴极压差350V~450V。Ti6A14V合金经过Ni等离子合金化处理后,表面粗糙度增加。合金层厚度约为50μm,Ni合金层成分呈梯度分布,表层Ni含量达90%,主要由Ti2Ni、TiNi、Ti相组成。Ni合金层表面硬度达677HV0.025,是基体硬度的二倍。 (2)Ni合金层相对薄膜材料具有良好的韧性,抗冲击能力好,主要以内聚性失效为主。 (3)Ni合金层随着载荷的增加,摩擦系数基本不变,磨损量逐渐增大。100r/min、150r/min及200r/min三种转速中,150r/min时摩擦系数小且较平稳,200r/min时磨损量最小,磨损形式由磨粒磨损为主变成粘着磨损为主。Ni合金层与GCr15球对磨时的磨损机制不同于与Si3N4球和ZrO2球对磨。 (4)在24℃、200℃、500℃温度下干摩擦试验结果表明,500℃的摩擦系数最小,200℃磨损量最小。Ti6A14V基体在高温磨损时,磨损机制以磨粒磨损、粘着磨损及氧化磨损为主,同时伴随疲劳磨损。Ni合金层在500℃磨损机制主要以粘着磨损和氧化磨损为主,在200℃下磨损机制主要表现为少量微切削磨损和氧化磨损。 (5)在微动磨损试验中,Ni合金层的摩擦系数随着微动频率、位移幅值、摩擦时间的增加而增加;在PAO润滑条件下,摩擦系数明显小于无润滑条件。在无润滑条件下,基体的微动磨损机制表现为磨粒磨损和粘着磨损,并有微动疲劳损伤的特征;Ni合金层微动磨损机制表现为磨粒磨损。在PAO润滑剂存在的条件下,基体的磨损机制表现为磨粒磨损和粘着磨损的特征,Ni合金层磨损机制表现为少量磨粒磨损。 (6)在3.5%NaCl溶液、5%HCl溶液及蒸馏水三种介质中,Ni合金层试样耐磨性均优于基体,磨损机制为微切削磨损。基体磨损机制为磨粒磨损。三种溶液介质对试样的腐蚀作用较弱,对磨损的交互作用不明显,材料主要流失量以磨损为主,腐蚀没有加速磨损。 (7)Ti2Ni的有效强化作用和TiNi的高韧性是Ni合金层表现出优异耐磨性能的主要原因。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG174.44

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【参考文献】
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