钛合金等离子体基离子注入层结构和摩擦学性能研究

论文摘要

本文采用等离子体基离子注入技术对Ti6Al4V合金进行表面改性处理。系统的研究了注入电压,注入气体对改性层成分及摩擦磨损性能的影响。利用X射线光电子能谱（XPS）研究了注入层中各个元素深度分布和价态信息;采用原子力显微镜（AFM）分析离子注入层表面形貌和粗糙度。利用力学性能显微探针测量了注入层的纳米硬度、弹性模量随压入深度的变化并测量了磨痕轮廓;采用摩擦磨损试验仪测试了注入层摩擦磨损性能;用扫描电镜观察了磨痕形貌。成分结构分析显示,大多数等离子体基离子注入样品的表面粗糙度较未处理样品有不同程度的降低。等离子体基离子注空气层中氧浓度分布不同于束线式离子注入的类高斯分布,而氮浓度分布与束线式离子注入的类高斯分布相似。离子注入样品的改性层,外层为TiO2,外层与内层基体之间存在Ti2O3、TiO、TiN。离子注入引起基体元素Ti、Al的浓度发生变化,近表面区域Ti的原子百分含量减少,Al的含量增加。离子注入样品的纳米硬度较未处理样品有明显提高。随着注入电压升高,注空气层的纳米硬度增加,50kV注空气层纳米硬度较基体提高了近23%,其它改性层也有较大提高。离子注入空气层弹性模量曲线与纳米硬度曲线相似,50kV注入层提高最为明显。经过氮氧混合注入的试样,纳米硬度由基体的4.67GPa增加到50kV氮氧混合注入的5.18GPa,提高了20%。注入电压与注入剂量相同时,注空气、氮氧混合注入试样改性层纳米硬度与弹性模量均比氮氧梯次注入试样高。离子注入试样的摩擦系数与磨损体积较基体均有一定程度的降低。不同工艺参数离子注入摩擦系数曲线相似,起始阶段摩擦系数较低,比未处理样品低0.2-0.3。注入电压增加,摩擦系数曲线中低摩擦系数阶段的时间增加,磨损体积减小。50kV注入电压的试样摩擦系数与磨损体积分别比未处理试样下降了3倍多和1个数量级。磨痕轮廓及形貌分析显示,离子注入试样的磨损主要是粘着磨损和磨粒磨损。随着注入电压的升高,粘着磨损减轻,耐磨性增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 钛合金的分类及应用
• 1.2.1 钛合金的分类
• 1.2.2 钛合金的应用
• 1.3 等离子体基离子注入技术发展概况
• 1.4 钛合金表面改性研究现状
• 1.4.1 Ti6Al4V 表面改性的方法
• 1.4.2 氧等离子体基注入 Ti6Al4V 合金表面改性
• 1.4.3 氮等离子体基注入 Ti6Al4V 表面改性
• 1.4.4 空气等离子体基注入 Ti6Al4V 表面改性
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 制备及试验方法
• 2.1 试验材料及试样制备
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验步骤和工艺参数
• 2.3.1 空气等离子体基注入
• 2.3.2 氮氧等离子体基混合注入
• 2.3.3 氮氧等离子体基梯次注入
• 2.4 分析方法
• 2.4.1 X射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.4.2 原子力显微镜（AFM）分析
• 2.4.3 硬度测试
• 2.4.4 摩擦磨损试验
• 第3章 注入层表面形貌与元素化学态
• 3.1 引言
• 3.2 AFM形貌分析
• 3.3 Ti6Al4V 合金空气离子注入层的 XPS 分析
• 3.4 Ti6Al4V 合金氮氧离子混合注入层的 XPS 分析
• 3.5 Ti6Al4V 合金离子注空气层的结构模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 钛合金离子注入层纳米硬度与弹性模量
• 4.1 引言
• 4.2 Ti6Al4V 合金离子注空气层纳米硬度与弹性模量研究
• 4.3 Ti6Al4V 合金氮氧混合注入层纳米硬度与弹性模量研究
• 4.4 Ti6Al4V 合金氮氧梯次注入层纳米硬度与弹性模量研究
• 4.5 Ti6Al4V 合金不同注入气体纳米硬度与弹性模量研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 Ti6Al4V 合金离子注入层摩擦学特性
• 5.1 引言
• 5.2 摩擦系数分析
• 5.2.1 不同偏压空气离子注入样品摩擦系数
• 5.2.2 不同偏压氮氧混合离子注入样品摩擦系数
• 5.2.3 不同偏压氮氧梯次离子注入样品摩擦系数
• 5.2.4 Ti6Al4V 合金不同注入气体摩擦系数
• 5.3 磨损量分析
• 5.3.1 不同偏压空气离子注入样品磨损量分析
• 5.3.2 不同偏压氮氧混合注入样品磨损量分析
• 5.3.3 不同偏压氮氧梯次注入样品磨损量分析
• 5.4 磨痕形貌分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢