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《哈尔滨工程大学》 2017年
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冷变形Ti-6Al-4V合金500℃脉冲离子碳氮共渗研究

迟姜  
【摘要】:Ti-6Al-4V合金常采用表面改性提高其耐磨性能,其中通过碳氮共渗得到性能稳定的硬化层是最为经济有效的手段,常规的Ti-6Al-4V合金碳氮共渗需在高温下进行,而在高温下该处理过程中极易发生氧化反应。本论文通过对Ti-6Al-4V合金固溶处理并在室温下冷轧变形得到初始试样,在500℃℃相对低温条件下对试样进行脉冲等离子体碳氮共渗处理,形成稳定渗层。处理温度处于合金时效温度范围内,保温过程中可得到析出相提高基体硬度。通过扫描电镜分析、能谱分析、X射线衍射分析等手段来表征碳氮共渗处理后Ti-6Al-4V合金的组织结构,通过硬度和摩擦磨损试验来测试Ti-6Al-4V合金的力学性能。组织结构研究显示,经碳氮共渗处理后的Ti-6Al-4V合金表面渗层宏观下呈暗黄色。扫描电镜下观察渗层由两部分构成,外层为白亮色的TiN层;内层呈暗灰色,主要由TiN、Ti2N和TiC相构成。且碳氮共渗处理后Ti-6Al-4V合金基体主要由α-Ti构成,同时存在部分金属间化合物。随变形量的增大,合金渗层中TiN含量减少Ti2N增多,时效析出相增多,渗层厚度逐渐增大,基体组织细化程度加深;随保温时间的增长,合金渗层中钦的氮化物及碳化物含量均有所增加,基体中α相含量逐渐增加。力学性能研究显示,碳氮共渗处理后Ti-6Al-4V合金表面硬度最高可达628HV,相比未经任何处理的试样硬度提高近300HV;合金截面硬度呈梯度变化,从边界到心部硬度逐渐减小,且心部均高于初始试样硬度。随变形量增大,合金硬度有一定程度的提高;随保温时间增长,合金硬度逐渐增大。与单纯渗氮和时效处理的Ti-6Al-4V合金相比,碳氮共渗处理Ti-6Al-4V合金摩擦系数和体积磨损率均有一定程度的减小。未进行碳氮共渗处理及保温时间较短的Ti-6Al-4V试样磨损行为以粘着磨损为主;保温时间较长的Ti-6Al-4V试样磨损机理以磨粒磨损为主,伴随轻微的粘着磨损。随变形量的改变,摩擦系数变化不明显,但均在0.6以下低于未处理试样摩擦系数;随保温时间的增长,Ti-6A1-4V合金摩擦系数与体积磨损率不断减小。分析结果表明,固溶处理及冷轧变形产生位错等缺陷作为扩散通道,使Ti-6Al-4V合金的碳氮共渗在低温下得以实现,脉冲电场激发原子或离子态的氮与碳,在表面形成以钛的氮化物及碳化物为主的硬化层,改善了合金的摩擦磨损性能。同时,在基体内部生成金属间化合物,且合金基体中渗入的N与C呈梯度分布,产生梯度组织,在提高合金基体硬度的同时得到了规律的硬度梯度。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG166.5

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