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钛合金表面离子束辅助沉积膜层及其高温微动疲劳行为研究

谭宏斌  
【摘要】:微动疲劳(Pretting fatigue,简称FF)是钛合金压气机叶片榫头的重要失效形式,由此影响发动机的安全可靠性。然而,由于FF过程的复杂性和影响因素颇多,因此,目前尚无十分有效的控制钛合金叶片高温FF的措施。表面改性与涂层技术是控制FF损伤十分有前景的技术途径之一。本文针对钛合金高温FF损伤控制的难题,采用离子束辅助沉积技术在钛合金表面制作耐磨层,研究膜层制备工艺,并对膜层的基本性能和摩擦学行为进行评价。在此基础上,探讨离子束辅助沉积膜层及其与喷丸形变强化(SP)复合处理对钛合金高温FF行为的影响规律和机制,拟为钛合金高温FF损伤控制的新途径提供依据。主要研究工作和取得的研究结论如下: (1) 研究了离子束辅助沉积TiN/Ti、0Cr18Ni9、NiCr20、A1膜层工艺,获得了膜基结合强度高、膜层致密性好、膜层强韧性优的TiN/Ti、0Cr18Ni9、NiCr20膜层,以及具有良好减摩润滑作用的A1软质膜层。硬质膜层TiN/Ti既具有良好的减摩效果,同时也有很高的抗磨作用,使钛合金基材耐磨性能显著提高。0Cr18Ni9和NiCr20膜层硬度明显高于整体材料,虽无减摩效果,但对钛合金基材耐磨性能有一定的提高。 (2) 研究了离子束辅助沉积TiN/Ti、0Cr18Ni9、NiCr20、A1膜层对Ti811钛合金FF性能的影响。发现硬质膜层TiN/Ti显著提高了钛合金350℃温度下的微动疲劳寿命,原因是该膜层有足够高的强韧性和Ti颗粒在高温下的减摩润滑性能;减摩润滑作用显著的软质A1膜层也大幅度地提高钛合金的FF寿命。0Cr18Ni9和NiCr20膜层则对Ti811钛合金FF性能无显著影响。 (3) 研究了喷丸强化与离子束辅助沉积TiN/Ti、0Cr18Ni9、NiCr20膜层复合处理(SP在先)对钛合金FF行为的影响。结果表明,复合处理试样的FF寿命虽然均高于BM状态的试样,但是却未实现联合提高钛合金FF抗力的目的,主要原因是,先喷丸强化处理,后进行离子束增强沉积膜层,后处理显著降低了SP引入的表面残余压应力,并且突显了SP表面损伤的不利因素;同时,SP表面处理对膜层的结合强度、韧性、膜基变形协调能力等产生了不利影响。


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