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Ti6A14V合金表面双层辉光离子渗Mo及Mo-N共渗改性层的组织结构及性能研究

李秀燕  
【摘要】:钛合金具有比强度高、热稳定性好、耐蚀性能优异等特点,但由于摩擦系数大、耐磨性差,极大地限制了它们的应用范围。利用表面处理技术在钛合金表面形成改性层是提高其摩擦学性能的重要手段。但常规的表面处理技术,如离子氮化、物理气相沉积、离子注入等获得的表面改性层只适用于改善钛合金在中低载荷和中低滑动速度下的摩擦学性能,在高载荷、高滑动速度条件下,以上改性层由于韧性不足或结合强度问题而易导致失效。此外,钛合金在一些重要的应用领域,不仅仅只有摩擦、磨损,还可能伴有冲击、腐蚀等工况的同时存在。这就要求不能仅考虑某单一性能的改善,还应考虑钛合金整体综合性能的提高。针对上述问题,本文利用双层辉光离子渗金属技术,在钛合金Ti6Al4V表面形成渗Mo及Mo-N共渗改性层,并对改性层的组织结构、基本力学性能、球-盘磨损性能、微动磨损性能、腐蚀磨损性能及腐蚀性能进行了较为全面系统的研究。论文的主要工作如下: (1)对改性层的组织成分及结构进行了研究。渗Mo及Mo-N共渗后Ti6Al4V基体表面均形成了均匀致密的改性层。改性层由被渗元素在Ti6Al4V基体中的扩散层和表面沉积层构成。表面沉积层对Ti6Al4V起到完全改性的作用,而扩散层中被渗元素的成分含量呈梯度变化,可提高基体对改性层的支撑强度,保证改性层使用的耐久性。在综合考虑温度对扩散层厚度及钛合金基体性能影响的基础上,确定适宜的渗Mo及Mo-N共渗温度为900℃左右。Mo-N共渗时氮气和氩气的流量比N_2/Ar是影响改性层的重要工艺参数。研究了流量比N_2/Ar对Mo-N共渗改性层中氮钼原子含量及相组成的影响。 (2)研究表明,渗Mo和Mo-N共渗均显著强化了Ti6Al4V基体的表面,使硬度从基体到表面由低到高呈梯度分布,有效地提高了基体的承载能力及改性层与基体间的结合强度。纳米压入法测得,Ti6Al4V合金经900℃渗Mo后,改性层表层的硬度和弹性模量平均值分别为10.86GPa和278.84GPa,分别为Ti6Al4V基体的3.76倍和2.50倍;Ti6Al4V合金经900℃、流量比N_2/Ar=1∶1 Mo-N共渗后,改性层表层的硬度和弹性模量分别为13.80GPa和261.65GPa,分别为Ti6Al4V基体的4.78倍和2.35倍。 太原理工大学博士学位论文 采用压入法、划痕法和多次冲击法对渗Mo、Mo一N共渗和渗氮改性层与基体间的 结合强度进行了对比研究。由于渗MO改性层有更好的韧性,所以在静态法和动态法 测试中均表现出良好的试验结果。这表明适当调配改性层的硬度和韧性指标,方能有 效地提高改性层在相关工况条件下的使用寿命。 (3)通过球一盘磨损试验对改性层的摩擦学性能及机理进行了研究。结果表明, 渗M。和M。一N共渗都显著提高了Ti6A14V合金的抗磨损能力。干摩擦条件下,与GCr15 对摩,渗M。改性层表现出最好的摩擦学性能;与A1203对摩,M。一N共渗改性层的耐 磨性最好。在较高的接触应力下,渗N层发生脱落,而渗MO和Mo一N共渗试样均未发 生改性层从基体脱落的现象,表现出很好的耐磨性。改性层较高的强度及与基体间良 好的结合强度是渗Mo和M。一N共渗试样耐磨性提高的原因。油润滑条件下,低粘度系 数的3了机油对硬度较低而粘着倾向较强的Ti6A14V基材无明显的边界润滑作用,而 渗崛·、Mo一N共渗和渗N改性层均表现出优异的减摩和耐磨性能。 厂拼)研究了Ti6A14v基材及经渗M。、Mo一N共渗后的微动摩擦学性能。渗M。和M。一N 共渗表面处理均提高了Ti6A14V基材的微动摩擦学性能,但经Mo一N共渗后表现出更 优异的减摩和耐磨性能。研究表明,与A1203对摩,Ti6A14V基材和M。一N共渗改性层 受不同的磨损机制控制。粘着和磨粒磨损的共同作用是导致Ti6A14V合金在微动条件 下被严重磨损的主要原因,这与以往的研究结果一“粘着在钦合金的微动磨损过程中 不起主要作用,其微动损伤的基本形式是疲劳脱层”不同。MO一N共渗改性层显著提 高了Ti6A14v合金的粘着抗力,其磨损机制主要为磨粒磨损。 (5)相比对钦合金及其表面改性层在磨损和腐蚀单独作用下进行的大量研究,对 其腐蚀磨损性能的研究则较为不足。本文对Ti6A14V基材、渗MO和MO一N共渗改性层 在微动情形下的腐蚀磨损性能进行了对比研究。渗Mo和M。一N共渗改性层在水、3.5% NaCI水溶液和5%HZSO4水溶液中,均有不同程度的减摩效果,抗腐蚀磨损能力明显 提高,其中M。一N共渗改性层在三种介质中表现出更好的抗腐蚀磨损性能。渗Mo和 Mo一N共渗改性层良好的耐磨性和耐蚀性,是其在三种介质中具有很好抗腐蚀磨损性 能的主要原因。 (6)电化学腐蚀测试结果表明,渗MO和Mo一N共渗均未降低Ti6A14V合金在水、 3.5% NaCI水溶液和5% HZSO;水溶液三种介质中的耐蚀性,并且M、N共渗试样表现 出比渗M。试样更良好的耐蚀性能。


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