氮电弧熔化法制备TiN层的研究

论文摘要

本文提出了利用氮电弧作为热源,在钛合金及钢基体上制备TiN层的设计思想,系统地研究了氮电弧熔化法制备的TiN层的组织结构特点和性能;电弧放电参数对TiN层组织与学性能的影响规律及TiN增强相的生长机制。研究结果表明,采用钨极氮电弧熔化法在钛及钛合金基体上制备的TiN层主要由TiN树枝晶组成,随着TiN层深度的增加,TiN相的含量逐渐减少,这是由于N扩散的含量逐渐减少。电弧放电参数对氮化层中TiN相的形貌和含量有明显的影响。随着电弧电流的增大、电弧行走速度的减慢和混合气体中N2比例的增多,所制备的TiN层中树枝晶的含量增多,这些都归因于电弧热输入的增加。研究发现,在相同的电弧放电参数条件下,钛合金氮化层中TiN的含量少。这是由于钛合金基体中的Al元素促进了α-Ti相的形成,使TiN层中α-Ti相增多,并抑制了TiN相的长大。同时,由于钛合金中V元素使β-Ti相稳定,并在快速冷却过程中生成马氏体α′-Ti,所以钛合金氮化层热影响区中针状马氏体较多。TiN硬质相的含量对TiN层硬度和耐磨性有明显的影响。增大电弧电流、降低电弧行走速度和提高混合气体中氮气比例,有利于提高TiN层的硬度及耐磨性能,但同时也增大了TiN层的裂纹倾向。氮电弧熔化是在非平衡热力学条件下进行,冷却速度可达102～103K/s,熔池的凝固是非平衡态的快速凝固。树枝晶的宏观长大方式为沿热传导方向的反方向长出枝晶主干,垂直于主干长出二次枝晶臂;而在微观上,在熔池中过冷度较小的位置,晶体的长大方为螺型位错侧面长大方式,而在过冷度较大的位置,其微观生长方式为连续生长和侧面生长两个阶段交替进行。本文还利用电火花反应沉积法,采用纯钛电极,以氮气作为反应气体,在碳钢及不锈钢异质基体表面制备TiN层。无数沉积点重熔交叠形成沉积层,沉积点边缘具有溅射形貌。研究表明沉积层中含有TiN硬质相,沉积层与基体之间存在过渡区,在过渡区沉积材料与基体之间发生了元素过渡,说明沉积层与基体之间为冶金结合。电火花反应沉积TiN层的硬度明显高于基体,所制备的TiN层具有比基体优异的抗干滑动摩擦磨损的性能。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金及氮化钛的基本特点
• 1.2.1 钛合金的基本特点
• 1.2.2 TiN 的基本特点
• 1.3 TiN 涂层制备技术的研究现状
• 1.3.1 化学气相沉积技术
• 1.3.2 物理气相沉积技术
• 1.3.3 离子注入技术
• 1.3.4 渗氮技术
• 1.3.5 热喷涂技术
• 1.3.6 激光气体氮化技术
• 1.4 氮电弧熔化技术
• 1.5 电火花沉积技术
• 1.5.1 电火花表面强化机理
• 1.5.2 电火花表面强化微观结构及界面行为研究
• 1.6 课题研究的意义与主要研究内容
• 1.6.1 课题研究的意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 试验材料、方法及设备
• 2.1 试验材料
• 2.2 TiN 层的制备方法及设备
• 2.3 样品表征
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 光学显微镜
• 2.3.3 扫描电镜和能谱分析
• 2.3.4 透射电镜分析
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 硬度测试
• 2.4.2 磨损实验
• 第3章 纯钛基体上氮电弧熔化法制备TiN 层的结构特点
• 3.1 纯钛基体上制备TiN 层的形貌和微观组织
• 3.1.1 TiN 层宏观形貌
• 3.1.2 TiN 层微观组织形貌和结构
• 3.2 电弧放电参数对TiN 层宏观形貌的影响
• 3.3 电弧放电参数对TiN 层微观组织及形貌的影响
• 3.3.1 电弧电流对TiN 层微观组织及形貌的影响
• 3.3.2 电弧行走速度对TiN 层微观组织及形貌的影响
• 2/Ar）对TiN 层微观组织及形貌的影响'>3.3.3 气体配比（N₂/Ar）对TiN 层微观组织及形貌的影响
• 3.4 TiN 层中的裂纹
• 3.5 本章小结
• 第4章 钛合金Ti-6Al-4V 基体上氮电弧熔化法制备TiN 层的结构特点
• 4.1 钛合金基体上制备TiN 层的形貌和微观组织
• 4.2 电弧放电参数对TiN 层宏观形貌的影响
• 4.3 电弧放电参数对TiN 层微观组织及形貌的影响
• 4.3.1 电弧电流对TiN 层微观组织及形貌的影响
• 4.3.2 电弧行走速度对TiN 层微观组织及形貌的影响
• 2/Ar）对TiN 层微观组织及形貌的影响'>4.3.3 气体配比（N₂/Ar）对TiN 层微观组织及形貌的影响
• 4.4 钛合金氮化层与纯钛氮化层组织形貌比较
• 4.5 TiN 层中的裂纹
• 4.6 本章小结
• 第5章 原位制备TiN 层的形核及长大机制
• 5.1 钛的氮化热力学及形成机理
• 5.1.1 钛的氮化热力学分析
• 5.1.2 TiN 层的形成机理
• 5.2 钛的氮化动力学
• 5.3 TiN 树枝晶的长大机制
• 5.3.1 树枝状TiN 的宏观长大模式分析
• 5.3.2 树枝状TiN 的微观长大模式分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 TiN 层的硬度和磨粒磨损行为
• 6.1 钛及钛合金表面氮电弧熔化法制备TiN 层的硬度
• 6.2 钛及钛合金表面氮电弧熔化法制备TiN 层的磨粒磨损行为
• 6.2.1 磨损失重量
• 6.2.2 磨损形貌
• 6.3 本章小节
• 第7章 碳钢及不锈钢基体上电火花反应沉积TiN 层的研究
• 7.1 45 钢基体电火花沉积TiN 表面层
• 7.1.1 45 钢表面单脉冲沉积点形貌
• 7.1.2 45 钢基体TiN 沉积层表面形貌
• 7.1.3 45 钢表面TiN 沉积层横截面形貌和界面元素过渡
• 7.2 不锈钢基体电火花沉积TiN 表面层
• 7.2.1 不锈钢表面单脉冲沉积点形貌
• 7.2.2 不锈钢基体TiN 沉积层表面形貌
• 7.2.3 不锈钢表面TiN 沉积层横截面形貌和界面元素过渡
• 7.3 TiN 沉积层的形成机理
• 7.4 电火花沉积TiN 表面层的硬度和耐磨性
• 7.4.1 45 钢及不锈钢表面TiN 沉积层的硬度
• 7.4.2 45 钢和不锈钢表面TiN 沉积层的耐磨性
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 摘要
• Abstract