鈦表面機(jī)械強(qiáng)化及其激光合金化研究.pdf

1、鈦及鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等特征，在生物醫(yī)療、航空工業(yè)和機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但是，鈦及鈦合金存在著摩擦系數(shù)高、硬度低等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。為提高鈦及鈦合金的疲勞性能和表面硬度，本文采用表面機(jī)械強(qiáng)化和激光表面合金化技術(shù)對(duì)工業(yè)純鈦TA2進(jìn)行了表面改性處理。 對(duì)a-Ti和a'-Ti分別進(jìn)行噴丸和滾壓表面機(jī)械強(qiáng)化。在Amsler-5100疲勞試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)定應(yīng)力比為0.1、循環(huán)周次為106的室溫三點(diǎn)彎曲條

2、件疲勞強(qiáng)度。利用透射電子顯微技術(shù)、X射線(xiàn)衍射技術(shù)研究了表面機(jī)械強(qiáng)化層的組織亞結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布，測(cè)定了試樣表面粗糙度。 a-Ti經(jīng)噴丸、滾壓后的組織、殘余應(yīng)力粗糙度對(duì)比研究結(jié)果表明：1)強(qiáng)化層組織中均可觀察到位錯(cuò)和變形孿晶。滾壓形成了單個(gè)分散的孿晶，噴丸表層中形成大量相互交疊的孿晶和變形帶；疲勞后，噴丸組織中產(chǎn)生孿晶．孿晶的交互作用，而滾壓組織中是孿晶．晶界的交互作用。2)噴丸較滾壓強(qiáng)化表層殘余應(yīng)力松弛顯著，疲勞后兩者的表層殘余

3、應(yīng)力相當(dāng)。3)噴丸較滾壓粗糙度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 a'-Ti噴丸強(qiáng)化表面層具有較高的表面粗糙度，殘余壓應(yīng)力在疲勞加載中部分松弛，近表面強(qiáng)化層組織中形成的高密度位錯(cuò)、準(zhǔn)孿晶柵欄和變形帶是疲勞強(qiáng)度提高的主要因素。a'-Ti滾壓強(qiáng)化表面層中變形孿晶數(shù)量較少，但疲勞加載使變形孿晶長(zhǎng)大(變粗變長(zhǎng))的過(guò)程中，變形孿晶穿越馬氏體板條束，起到分割、細(xì)化基體組織和抑制殘余應(yīng)力衰減的作用；加之滾壓處理試樣表面粗糙度低，因此疲勞強(qiáng)度提高。 采用C

4、O2激光器對(duì)a-Ti進(jìn)行表面合金化。所添加的合金化材料為：N2，C，Ti+C,Ti+W+C元素；WC，TiC陶瓷；Ti+WC，Ti+TiC，Ti+C+WC金屬．陶瓷。對(duì)合金化層的組織結(jié)構(gòu)、相組成和顯微硬度進(jìn)行測(cè)試分析。 a-Ti激光重熔層由針狀a'-Ti構(gòu)成。針狀組織在晶界處較晶粒內(nèi)粗大。激光氣體氮化層由TiN和a'-Ti構(gòu)成，激光氣體氮化機(jī)制為N2在Ti表面的吸附、N2的分解、表面反應(yīng)、氮的擴(kuò)散、TiN的析出和熔體的凝固。

5、 a-Ti激光碳合金化層由TiC和a'-Ti構(gòu)成。TiC的生長(zhǎng)形貌與凝固速度和熔池中的C濃度有關(guān)，Tic形貌有樹(shù)枝狀、十字花瓣?duì)?、胞枝狀、發(fā)達(dá)樹(shù)枝晶、球狀以及針狀。TiC的合成過(guò)程分為三個(gè)階段：激光輻照時(shí)，固態(tài)C顆粒迅速擴(kuò)散至激光熔池并被液鈦包圍；首先固-液結(jié)合界面處的Ti和C直接反應(yīng)形成TiCx，隨后液Ti擴(kuò)散并穿過(guò)TiCx層與剩余的C進(jìn)行反應(yīng)，生成的TiC溶于液相中；快速凝固過(guò)程中，TiC從溶液中析出并長(zhǎng)大。復(fù)合添加C+Ti粉，

6、改善了界面結(jié)合質(zhì)量，合金化層組織因激光多道掃描，不同Ti/C比例的組織與單獨(dú)添加C相似。 激光表面合金化Tic和WC，熱影響區(qū)/合金化層界面處存在孔洞等缺陷。復(fù)合添加TiC+Ti界面層處TiC出現(xiàn)部分熔化現(xiàn)象。復(fù)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，組織中TiC的體積分?jǐn)?shù)越大。激光表面合金化Ti/WC(2：1)中發(fā)現(xiàn)了組織和硬度梯度分布現(xiàn)象，從表面到結(jié)合界面陶

7、瓷相組織的變化為：不規(guī)則的未熔WC、球形的部分熔化WC和原位自生TiC、斷續(xù)網(wǎng)狀的復(fù)雜碳化物。這為不改變材料成分制備梯度材料提供了簡(jiǎn)單可行的技術(shù)。 激光表面合金化Ti+C+WC((Ti+C)/WC=1：1)合金粉末中Ti/C比例對(duì)組織有顯著影響。合金化層中。TiC形貌主要受初始Ti/C比例的影響。激光表面合金化TiCW體系中形成了(Ti,W)C。但(Ti,W)C組織形貌隨合金粉末成分的差異而變化。 此外，建立了各合金粉末