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钛表面机械强化及其激光合金化研究

张建斌  
【摘要】: 钛及钛合金具有密度低、强度高、耐蚀、化学稳定性好等特征,在生物医疗、航空工业和机械工业等领域有广泛的应用。但是,钛及钛合金存在着摩擦系数高、硬度低等缺点,限制了其应用领域。为提高钛及钛合金的疲劳性能和表面硬度,本文采用表面机械强化和激光表面合金化技术对工业纯钛TA2进行了表面改性处理。 对a-Ti和a′-Ti分别进行喷丸和滚压表面机械强化。在Amsler-5100疲劳试验机上,测定应力比为0.1、循环周次为10~6的室温三点弯曲条件疲劳强度。利用透射电子显微技术、X射线衍射技术研究了表面机械强化层的组织亚结构和残余应力分布,测定了试样表面粗糙度。 a-Ti经喷丸、滚压后的组织、残余应力粗糙度对比研究结果表明:1)强化层组织中均可观察到位错和变形孪晶。滚压形成了单个分散的孪晶,喷丸表层中形成大量相互交叠的孪晶和变形带;疲劳后,喷丸组织中产生孪晶-孪晶的交互作用,而滚压组织中是孪晶-晶界的交互作用。2)喷丸较滚压强化表层残余应力松弛显著,疲劳后两者的表层残余应力相当。3)喷丸较滚压粗糙度高一个数量级。 a'-Ti喷丸强化表面层具有较高的表面粗糙度,残余压应力在疲劳加载中部分松弛,近表面强化层组织中形成的高密度位错、准孪晶栅栏和变形带是疲劳强度提高的主要因素。a'-Ti滚压强化表面层中变形孪晶数量较少,但疲劳加载使变形孪晶长大(变粗变长)的过程中,变形孪晶穿越马氏体板条束,起到分割、细化基体组织和抑制残余应力衰减的作用;加之滚压处理试样表面粗糙度低,因此疲劳强度提高。 采用CO_2激光器对a-Ti进行表面合金化。所添加的合金化材料为:N_2,C,Ti+C,Ti+W+C元素;WC,TiC陶瓷;Ti+WC,Ti+TiC,Ti+C+WC金属-陶瓷。对合金化层的组织结构、相组成和显微硬度进行测试分析。 a-Ti激光重熔层由针状a′-Ti构成。针状组织在晶界处较晶粒内粗大。激光气体氮化层由TiN和a′-Ti构成,激光气体氮化机制为N_2在Ti表面的吸附、N_2的分解、表面反应、氮的扩散、TiN的析出和熔体的凝固。 a-Ti激光碳合金化层由TiC和a′-Ti构成。TiC的生长形貌与凝固速度和熔池中的C浓度有关,TiC形貌有树枝状、十字花瓣状、胞枝状、发达树枝晶、球状以及针状。TiC的合成过程分为三个阶段:激光辐照时,固态C颗粒迅速扩散至激光熔池并被液钛包围;首先固-液结合界面处的Ti和C直接反应形成TiCx,随后液Ti扩散并穿过TiCx层与剩余的C进行反应,生成的TiC溶于液相中;快速凝固过程中,TiC从溶液中析出并长大。复合添加C+Ti粉,改善了界面结合质量,合金化层组织因激光多道扫描,不同Ti/C比例的组织与单独添加C相似。 激光表面合金化TiC和WC,热影响区/合金化层界面处存在孔洞等缺陷。复合添加TiC+Ti界面层处TiC出现部分熔化现象。复合添加Ti+WC合金粉末中,TiC的形成需要WC熔化、分解出[C]。Ti/WC比例越低,所提供的[C]越多,组织中TiC的体积分数越大。 激光表面合金化Ti/WC(2:1)中发现了组织和硬度梯度分布现象,从表面到结合界面陶瓷相组织的变化为:不规则的未熔WC、球形的部分熔化WC和原位自生TiC、断续网状的复杂碳化物。这为不改变材料成分制备梯度材料提供了简单可行的技术。 激光表面合金化Ti+C+WC((Ti+C)/WC=1:1)合金粉末中Ti/C比例对组织有显著影响。合金化层中TiC形貌主要受初始Ti/C比例的影响。激光表面合金化TiCW体系中形成了(Ti,W)C。但(Ti,W)C组织形貌随合金粉末成分的差异而变化。 此外,建立了各合金粉末激光表面合金化时组织形成过程的简单模型。激光表面合金化复合粉末时,激光辐照下低熔点Ti先熔化,随后熔融态高熔点物质溶解于钛液形成熔池。合金粉末中的C或WC分解产生的[C]都与Ti的反应,直至C或[C]量耗净,产物中有原位自生TiC,合金化层硬度与基体a-Ti相比显著提高。


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