TC4钛合金低温固体粉末渗硼的研究

论文摘要

TC4钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性能好、无磁等一系列特性而成为用途最广泛的钛合金。然而钛合金的硬度低,耐磨性能差,限制了它更广泛的应用。目前,渗硼作为一种简单有效的表面改性方法,已成功应用在改善钛合金的耐磨性上。但是现有的TC4合金固体粉末渗硼技术大多在1000～1200℃进行,超过了TC4合金的相变温度,晶格变化较大,工件变形量大,渗硼层较脆。本文对TC4合金低温固体粉末渗硼和低温稀土-硼共渗的渗层形貌、组织结构、添加稀土元素对渗层的影响和稀土的催渗机理进行了系统的研究,并同高温稀土-硼共渗的渗层形貌、性能及基体组织变化进行对比研究,探讨了渗硼过程中钛基体α和β相的转变。（1）研究了低温下固体粉末渗硼法形成硬质的硼钛层来改善TC4钛合金的表面性能,借助于金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机等设备对渗硼层的表面形貌、组织结构和性能进行了分析。通过观察分析渗层的显微组织结构,发现渗层由表层的硼钛化物层和过渡层构成,晶须与基体结合紧密,并用热力学原理验证了双相硼钛物的形成。在950℃下分别渗硼5～40h后,渗层厚度范围为5.3～5.4μm。硼钛化物层显微硬度值的变化范围为2500HV0.05～250HV0.05,比基体的硬度值（360HV0.05～390HV0.05）提高了5倍左右。摩擦磨损实验结果表明渗层的摩擦系数范围为0.2～0.3,过渡区的摩擦系数上升到0.4,均低于基体的摩擦系数,其耐磨性显著增强。（2）对TC4钛合金进行低温稀土-硼共渗研究。确定最佳稀土加入量,考察了稀土对渗层的形貌的影响。通过SEM检测,渗层由表及里的顺序为TiB2层→TiB晶须→过渡层。对单渗硼和稀土-硼共渗处理后渗层的硬度、耐磨性进行了对比研究。结果表明稀土的最佳含量为5%,加入稀土后渗硼层层深加大,而且渗层的显微硬度值比单渗硼的硬度值约提高25%,范围为3100HV0.05～750HV0.05,渗层摩擦系数为0.2～0.3,耐磨性有较大地改善。（3）对稀土的催渗机理进行了探讨,表明稀土特有的电子结构在渗硼中能缩短周期,降低热处理温度。稀土元素可形成活性原子,依据“双空位”和“短程扩散”机理完成向内的扩散。稀土的催渗作用则是“活性中心-表面效应”机理和“点阵畸变-气团通道”机理共同作用的结果。（4）同高温共渗相比,低温渗硼层致密均匀无孔洞,而且硬度梯度和脆性得到进一步改善,耐磨性能良好。低温共渗后TC4基体为等轴组织,综合性能好,有效地防止了高温时p相粗晶的形成。（5）对TC4合金慢冷时a和p相的转变进行了初步探讨。α相的析出过程是一个形核和长大的过程。合金加热到β相区缓冷时,α相先形成晶界,之后向晶内集束扩展,p相处于α片状之间形成网状薄层,即形成魏氏体组织（α+β）；合金加热到（α+β）相区缓冷时,析出的α相在β晶界上和原来的α相的界面上形核,聚合成等轴的α组织,与p转变组织构成等轴的（α+β）组织。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 钛合金的性质及分类
• 1.1.1 钛合金的性质
• 1.1.2 钛合金的分类
• 1.2 钛合金的应用现状
• 1.2.1 钛合金的应用
• 1.2.2 钛合金在使用中的不足
• 1.3 钛合金的表面处理技术
• 1.3.1 等离子氮化
• 1.3.2 离子注入
• 1.3.3 气相沉积
• 1.3.4 高能束表面改性
• 1.3.5 热渗镀
• 1.4 固体法渗硼概述
• 1.4.1 渗硼的发展史
• 1.4.2 固体渗硼工艺
• 1.5 本课题的提出及主要内容
• 1.5.1 课题的提出及意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 实验原理、材料与分析方法
• 2.1 实验原理
• 2.1.1 Ti-B体系的物理化学
• 2.1.2 渗硼反应过程
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 材料成分与尺寸
• 2.2.2 实验试剂
• 2.3 实验仪器与实验设备
• 2.4 渗硼设备及工艺流程
• 2.4.1 渗硼设备
• 2.4.2 渗硼实验的工艺流程
• 2.5 组织及性能的分析检测
• 2.5.1 渗硼层的厚度测量
• 2.5.2 显微组织观察及分析
• 2.5.3 渗硼层显微硬度的测量
• 2.5.4 耐磨性分析
• 第3章 TC4钛合金的低温固体粉末渗硼
• 3.1 引言
• 3.2 低温渗硼层的形貌及相组成
• 3.2.1 渗硼层的显微形貌
• 3.2.2 渗硼层的物相分析
• 3.2.3 双相硼钛化层的形成
• 3.3 渗层的性能检测
• 3.3.1 渗层的显微硬度和脆性
• 3.3.2 渗层的耐磨性
• 3.4 本章小结
• 第4章 TC4钛合金的低温稀土-硼共渗研究
• 4.1 引言
• 4.2 稀土的最佳加入量
• 4.3 添加稀土后渗硼层的形貌和物相分析
• 4.3.1 添加稀土后的渗层形貌
• 4.3.2 添加稀土后的渗层物相分析
• 4.3.3 添加稀土后渗层的元素分布
• 4.4 添加稀土对渗层性能的改善
• 4.4.1 共渗渗层的显微硬度和脆性
• 4.4.2 共渗渗层的耐磨性
• 4.5 渗硼过程中稀土的催渗机理探讨
• 4.5.1 稀土元素的性质
• 4.5.2 稀土的扩散机理
• 4.5.3 渗硼过程中稀土的催渗机理
• 4.6 本章小结
• 第5章 低温共渗同高温共渗的对比研究
• 5.1 引言
• 5.2 共渗渗层形貌的对比
• 5.3 共渗渗层的性能对比研究
• 5.3.1 渗层显微硬度和脆性
• 5.3.2 渗层的耐磨性
• 5.4 TC4基体在低温和高温空冷的组织对比研究
• 5.4.1 钛合金的同素异构转变
• 5.4.2 TC4合金在不同渗硼温度下空冷组织性能
• 5.4.3 α和β相在冷却过程中的转变
• 5.5 低温固体渗硼的优缺点
• 5.5.1 优越性
• 5.5.2 不足及展望
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文