钛合金表面激光硼碳氮合金化层的组织结构与耐磨性能研究

论文摘要

钛合金由于存在硬度较低且易产生粘着性磨损等缺点从而使它们的优良性能（如比强度高、耐蚀性较好等）得不到充分发挥。为提高钛合金的表面硬度和耐磨性能，本文采用激光表面改性技术对钛和Ti-6Al-4V合金进行了硼碳氮处理。分析了激光工艺参数对合金化层组织形貌的影响，探讨了经不同合金元素处理后合金化层内组织的生长机理，并对不同组分合金化后合金化层的耐磨性能进行了较为系统的测试分析。 激光工艺参数（如激光输出功率、扫描速度和光束直径等）对合金化层的组织形貌和性能具有较大的影响。增大激光功率和降低扫描速度，合金化层厚度增加，而组织亦随之粗大。在本试验条件下（预涂粉末的种类及厚度和采用的保护气体及压强等），当激光功率为1200W，光束直径为2mm，扫描速度为3.0～4.0mm／s，搭接量为45～55％时可获得较为理想的合金化层。 经激光碳合金化后，合金化层内原位生成的TiC呈树枝状，枝晶臂垂直于主干生长，枝晶由貌似块状的颗粒晶体组成。由于在凝固过程中液态原子易优先沿着密排面上的密排方向附着。对面心立方晶系的TiC晶体而言，<111>方向是{111}密排面和<110>密排晶向的交汇处，易于优先生长，从而使得TiC晶体沿着<111>方向形成枝晶主干。而与晶体主干垂直的{111}密排晶面则是枝晶臂优先生长的方向。熔池在不同方向的热梯度不同使得晶体优先沿着热梯度降较大的方向生长，从而形成了树枝状结构的TiC枝晶。 晶体生长模式可由临界过冷度△Tc的大小判定。当△T＞△Tc时为连续生长模式，形成粗糙界面；当△T＜△Tc时则为侧向生长模式，形成光滑界面。在最初的结晶阶段由于较大的成分过冷度和实际过冷度使得结晶以连续生长模式进行形成枝晶主干。结晶散发出大量的结晶潜热导致实际过冷度减小，而溶质的减少则导致以连续生长模式结晶所需的临界过冷度增大。因此，随着溶质的减少和实际过冷度的减小，结晶模式则由连续生长转变为侧向螺旋生长进行。所以其后的结晶便以最初形成的枝状晶胚的局部（如晶胚的晶粒或亚晶粒适于侧向生长的表面）为核心，以侧向生长的螺旋方式长大，形成了貌似以块状晶线

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪言
• 1.1 钛合金的性能及应用
• 1.2 常用钛合金表面改性技术简介
• 1.2.1 激光表面处理
• 1.2.2 等离子喷涂
• 1.2.3 微弧氧化
• 1.2.4 电泳沉积
• 1.2.5 气相沉积
• 1.2.6 电火花沉积
• 1.2.7 等离子渗碳和渗氮
• 1.3 钛合金激光表面合金化研究进展
• 1.3.1 钛合金的激光表面气体氮化
• 1.3.2 钛合金激光表面粉末合金化
• 1.3.3 激光表面合金化技术现存的问题
• 1.4 本课题的意义与主要研究内容
• 1.4.1 课题的意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 试验材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 涂层制备
• 2.2.2 激光合金化工艺
• 2.3 试样制备与组织结构分析方法
• 2.3.1 试样制备
• 2.3.2 组织形貌分析
• 2.3.3 合金化层物相分析
• 2.3.4 性能测试
• 第三章 激光工艺对合金化层组织形貌的影响
• 3.1 激光束对材料表面热作用的理论分析
• 3.2 熔池内液体的对流运动
• 3.3 激光合金化层不同区域的组织结构和影响因素
• 3.4 工艺参数及对合金化层的影响
• 3.4.1 激光扫描速度和功率对合金化层形貌的影响
• 3.4.2 搭接量对合金化层组织形貌的影响
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 激光碳氮硼合金化层的组织结构分析
• 4.1 激光碳合金化层的组织结构分析
• 4.1.1 激光石墨合金化层的组织结构分析
• 4.1.1.1 TiC树枝晶生长方向的理论分析
• 4.1.1.2 TiC树枝晶生长模式的理论分析
• 4.1.2 激光石墨和TiC合金化对组织性能的影响
• 4.2 激光氮化层的组织结构分析
• 4.2.1 激光氮气合金化层的组织结构分析
• 4.2.2 减少激光氮化层裂纹和提高性能措施
• 4.3 激光硼合金化层的组织结构分析
• 2的生长形貌分析'>4.3.1 TiB和TiB₂的生长形貌分析
• 4.3.2 TiB细化基体组织的机理
• 4.3.3 TiB对钛合金组织性能的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 激光硼碳氮复合合金化层的组织结构分析
• 5.1 激光硼-碳合金化层的组织结构分析
• 4C合金化层的组织结构分析'>5.1.1 激光B₄C合金化层的组织结构分析
• 5.1.2 激光硼-碳粉末合金化层的组织结构分析
• 5.2 激光硼-氮合金化层的组织结构分析
• 5.3 激光碳-氮合金化层的组织结构分析
• 5.4 激光硼-碳-氮合金化层的组织结构分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 稀土氧化物对激光合金化层组织结构的影响
• 6.1 稀土氧化物细化合金化层组织的机理
• 6.2 稀土氧化物加入量的优化试验
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 激光合金化层的硬度与耐磨性能测试与分析
• 7.1 硼碳氮分别合金化的硬度和耐磨性能测试与分析
• 7.2 硼-碳-氮合金化的硬度和耐磨性能测试与分析
• 7.3 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 创新
• 致谢
• 攻读博士学位期间的学术和科研工作
• 学位论文评阅及答辩情况表