MEVVA离子注入钛合金抗疲劳制造的基础研究

【摘要】： MEVVA离子注入是最近十几年来迅速发展起来的新型表面改性技术。本文利用MEVVA离子注入技术对TC4合金进行表面处理，系统研究了La、Mo离子注入对其表面形态、疲劳性能、微动磨损性能和微动疲劳性能的影响。 研究结果表明，TC4合金经La、Mo离子注入处理后，表面粗糙度降低，表面显微硬度明显提高，残余应力分布得到优化。俄歇能谱分析结果表明，合适的温升对提高离子注入的效果是有益的。Mo离子注入提高了TC4合金在酸性氯化物溶液中的耐蚀性，而La离子注入恶化了TC4合金在酸性氯化物溶液中的耐蚀性，这主要跟两种元素的化学活性不同有关。 常规疲劳实验结果表明，La、Mo离子注入都能提高TC4合金的疲劳性能。离子注入处理使表面层得到强化，减小了裂纹从表面萌生的几率，从而提高了疲劳抗力。通过对疲劳断裂的微观分析，研究了钛合金疲劳断裂的规律。 微动磨损实验结果表明，在不同接触形式和不同材料配副的情况下，La、Mo离子注入都使微动磨损体积大大下降，明显提高了TC4合金的抗微动磨损能力。在微动磨损初期，离子注入试样的微动摩擦系数小于未注入试样；在稳定磨损阶段，离子注入与否对微动摩擦系数影响很小。根据微动磨损区的形貌分析，钛合金微动磨损损伤机制以磨粒磨损和接触疲劳为主。 微动疲劳实验结果表明，La、Mo离子注入使TC4合金的微动疲劳寿命提高了约20％，微动摩擦系数降低13～20％。滑移区的损伤机制以粘着磨损为主，部分滑移区的损伤机制以磨粒磨损和局部接触疲劳造成的疲劳脱层为主。微动疲劳裂纹主要在混合区产生，微裂纹的萌生和扩展是循环应力、表面摩擦力和接触应力共同作用的结果。论文提出了钛合金微动疲劳破坏机制和微动磨屑形成与演变的一般规律，分析了磨屑对微动过程的影响。利用微动图定性描述了MEVVA离子注入对钛合金微动疲劳性能的影响规律。