采用双层辉光离子渗金属技术提高Ti6Al4V合金摩擦学性能研究

论文摘要

钛合金以其密度低、强度高和耐蚀性好而成为航空航天、生物医学及能源化工等部门的重要结构材料。然而，其耐磨性能不足是亟待解决的关键问题之一。利用表面处理技术在钛合金表面形成改性层是提高其摩擦学性能的主要途径之一。具有我国自主知识产权的双层辉光离子渗金属技术可以在金属表面形成多种元素组合、成分呈梯度分布、无界面弱化的合金渗层，且具有节约能源，无污染等优点。本文针对钛合金表面耐磨性能不足问题，采用双层辉光离子渗金属技术，设计选择三种表面合金化元素组合Mo-C、Mo-N、Mo-Cr，在钛合金Ti6Al4V表面形成三种合金改性层。通过对这三种改性层的组织结构、基本力学性能、耐冲击性能、球-盘磨损性能系统的对比研究，得出Mo-N合金改性层具有最好的综合性能，并进一步对Mo-N合金改性层进行微动磨损性能、腐蚀磨损性能的研究。在试验研究过程中，对双层辉光离子渗金属技术中一些理论问题进行探讨：质疑双层辉光增强放电的二次电子增强放电机制并提出辉光叠加促使汤生第一电离系数增大而最终造成放电电流密度大增的新观点，澄清中性粒子在双辉渗金属物质传输过程中起主要作用，讨论源极的三个基本结构，初步研究极间距对合金渗层的影响作用。论文的主要工作如下：（1）采用与三种合金化方案中源极特点相适应的源极结构，在相同工艺参数条件下，在Ti6Al4V合金表面成功的形成成分成梯度分布、均匀、连续的三种合金改性层。由于源极元素不同，形成的三种合金化改性层组织结构不同，机械性能也不同。通过硬度、划痕、多冲、球盘磨损四种方法来检测三种合金化方案改性层的性能，基本能够较全面地反映出其综合力学性能。虽然Mo-Cr合金层的表面硬度最高，表层硬度分布比较平缓，但是由于层内存在脆性相金属间化合物，显示出较大的脆性，抗冲击能力最差。Mo-C合金层表面硬度最小，韧性好，抗冲击能力较强，但摩擦学性能最差。Mo-N共渗后表面硬度也较高，表层硬度分布平缓，韧性较好，抗冲击能力最强，抗磨性最强。所以双辉渗Mo-N是对于改善在Ti6Al4V合金表面耐磨性能来说是较优方案。（2）本文进一步探讨了Mo-N合金化渗层的微动磨损和腐蚀磨损性能。采用双层辉光渗金属技术在Ti6Al4V合金表面渗Mo-N可有效提高Ti6Al4V合金的抗微动磨损能力，微动磨损机制是犁削，没有裂纹、剥落和粘着等现象发生。在3.5％NaCl、0.5M H2SO4、0.02 M Na3PO4及亨氏溶液中的腐蚀磨损性能试验表明，Ti6Al4V合金经Mo-N合金化后摩擦系数都有不同程度的降低，其中Na3PO4水溶液中的减摩效果最好，摩擦系数由0.61降低到0.22；抗腐蚀磨损能力也有不同程度提高，其中在亨氏溶液中，腐蚀磨损抗力增加最显著，磨损体积减少52倍。通过电化学噪音技术揭示出一些腐蚀磨损过程中不易发觉的内在联系：实验进入稳定期后，未经处理的和Mo-N表面改性后的Ti6Al4V试样都处于一种钝化-去钝化-钝化的循环状态，但是改性后的噪音参数明显低于钛合金基材。（3）双层辉光离子渗金属过程是以碰撞为基本过程的空间放电过程，是一个能量转化和释放的过程，又是一个物质传输的过程。本文从几个具体试验现象出发，唯象分析了双辉过程中的一些实验现象，提出双层辉光叠加增强放电过程的一些理论见解。双层辉光叠加增强放电的物理范畴包括空心阴极放电，而双层辉光叠加增强放电属于辉光放电范畴。研究发现，影响最广泛的二次电子振荡机制并不能解释双层辉光叠加增强放电现象。引起双层辉光增强放电的原因在于工件极辉光放电影响源极的汤生第一电离系数，缩小了阴极位降区厚度，从而提高了电流密度，增大了电能消耗；反过来，源极辉光放电也同样影响工件极，如此产生双层辉光叠加放电的耦合增大作用。对双辉渗金属过程中物质传输的研究发现，欲渗元素主要是以中性粒子的形态通过热运动和扩散由源极输运到工件表面。提出源极结构有三种基本形式：平板式、针状式和孔洞式，它们各有特色，可相互组合使用。极间距对渗层结构影响不大，对渗层深度有一定的作用，强烈影响着渗层表面合金化元素的浓度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 表面工程
• 1.1.1 表面工程概述
• 1.1.2 表面工程的涵义、分类及学科体系
• 1.1.3 表面合金化技术简介
• 1.2 双层辉光离子渗金属技术
• 1.2.1 基本原理及操作过程
• 1.2.2 技术特点
• 1.2.3 双辉技术的现状
• 1.2.4 发展方向
• 1.3 钛合金及其表面处理
• 1.3.1 钛与钛合金
• 1.3.2 钛合金的表面处理
• 1.4 表面合金化设计
• 1.5 双辉技术合金化设计流程
• 1.6 课题的提出与研究内容
• 第二章 Ti6Al4V合金表面合金化设计与实施
• 2.1 引言
• 2.2 合金化元素的选择
• 2.2.1 强化分析
• 2.2.2 选择合金元素
• 2.2.3 三种源极
• 2.3 试验及结果
• 2.3.1 试验设备及检测方法
• 2.3.2 Mo-C合金化
• 2.3.3 Mo-N合金化
• 2.3.4 Mo-Cr合金化
• 2.4 分析
• 2.4.1 源极结构与供给量
• 2.4.2 三种源极结构
• 2.4.3 三种合金改性层
• 2.5 小结
• 第三章 三种合金化改性层性能
• 3.1 硬度与划痕
• 3.1.1 前言
• 3.1.2 试验设备与方法
• 3.1.3 硬度
• 3.1.4 划痕试验
• 3.1.5 分析
• 3.2 多冲
• 3.2.1 前言
• 3.2.2 试验设备与方法
• 3.2.3 Mo-C渗层
• 3.2.4 Mo-N渗层
• 3.2.5 Mo-Cr渗层
• 3.2.6 分析
• 3.3 摩擦学性能
• 3.3.1 前言
• 3.3.2 试验设备与方法
• 3.3.3 试验结果与分析
• 3.4 小结
• 第四章 Mo-N合金化改性层的抗微动和腐蚀磨损性能
• 4.1 引言
• 4.2 微动磨损
• 4.2.1 微动摩擦试验设备
• 4.2.2 摩擦系数
• 4.2.3 磨损表面形貌
• 4.2.4 磨损性能
• 4.2.5 小结
• 4.3 腐蚀磨损
• 4.3.1 腐蚀介质的选择
• 4.3.2 腐蚀磨损试验方法
• 4.3.3 腐蚀磨损试验结果及分析
• 4.3.4 小结
• 4.4 小结
• 第五章 双层辉光离子渗金属机理
• 5.1 前言
• 5.2 双层辉光叠加增强作用
• 5.2.1 双层辉光叠加增强放电现象
• 5.2.2 双层辉光叠加增强放电的特点
• 5.2.3 双层辉光叠加增强放电的物理范畴
• 5.2.4 二次电子振荡机制的质疑
• 5.2.5 探讨双层辉光叠加增强放电的机理
• 5.3 双层辉光离子渗金属物质传输
• 5.3.1 双辉渗金属的三过程
• 5.3.2 溅射与沉积过程
• 5.3.3 中性粒子在渗金属过程中起主要输运作用
• 5.3.4 离子轰击条件下的扩散
• 5.4 双辉渗金属的源极基本结构
• 5.4.1 平板式
• 5.4.2 针状式
• 5.4.3 孔洞式
• 5.5 关于极间距的初步研究
• 5.5.1 试验方案
• 5.5.2 试验结果
• 5.5.3 分析
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果