在高活性干空气流动场中对TC4钛合金高频感应氧化工艺的研究

论文摘要

钛合金具有比强度大、良好的耐腐蚀性能、耐高温性能和较低的密度等优良品质,在航空航天、海洋工程、石油化工、医疗卫生等领域有广泛的应用前景,从而引起了人们的关注,它已经成为21世纪重要的工程材料之一。TC4（Ti6Al4V）钛合金是一种α+β型钛合金,其综合性能优良,塑性和冲击韧性高,被认为是应用前景最好的结构钛合金之一,但是由于具有耐磨性能差,尤其是耐磨蚀性能差,表面易擦伤、咬死等缺点,限制了其应用范围的进一步扩大。合金的性能与其组织形态密切相关,而合金的组织形态取决于合金的化学成分、加工工艺、热处理规范和表面处理工艺。对于化学成分已确定的合金,用表面改性处理技术来提高合金的使用性能具有重要意义。高频感应氧化技术是一种新型表面处理技术,与其它表面处理技术相比其具有能耗小、效率高、成本低、作业环境好等优点,是钛合金表面处理的新工艺。本文采用高频感应氧化技术在TC4钛合金表面生成氧化膜,主要研究氧化介质为高活性干空气条件下对钛合金在8001000℃的温度范围内进行高频感应氧化处理。分析了影响氧化膜性能的相关因素,通过SEM观察、XRD及XPS分析研究了膜层微观结构及其相组成,并探讨了氧化膜的生长机理。通过分析试验结果得到如下规律:①处理温度对膜层性能的影响规律;②氧化时间对膜层性能的影响规律;③建立了氧化动力学模型。研究表明:在8001000℃温度范围内,膜层的厚度和显微硬度均随着处理温度的升高和氧化时间的延长而呈幂指数增加,且在此温度范围内仅10分钟就可获得结构致密、均匀的氧化膜层。钛合金高频感应氧化膜主要由TiO2和Al2O3相等组成。氧化膜的厚度约为10～30μm,硬度约为500～1400HV。与微等离子体氧化工艺和热氧化工艺相比,高频感应氧化工艺处理时间最短,工作效率最高,利用该项技术所得的氧化膜层的性能也比较优良,处理过程中对环境无任何污染。本工艺与在纯氧介质中处理相比降低了经济成本,是一种有发展前景的钛合金绿色化表面处理技术。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 钛合金及其表面改性技术简介
• 1.2.1 钛及钛合金的性能
• 1.2.2 钛合金的应用现状及发展前景
• 1.2.3 钛合金应用中的一些问题
• 1.2.4 钛合金表面改性技术的发展概况
• 1.3 钛合金高频感应氧化技术原理
• 1.4 本课题的研究意义、目的及内容
• 1.4.1 研究目的及意义
• 1.4.2 研究内容
• 2 试验研究
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 试验基体材料
• 2.1.2 试验试剂及氧化介质
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 高频感应氧化处理系统
• 2.2.2 氧化膜性能检测设备
• 2.3 试验研究方法
• 2.3.1 氧化膜制备的工艺过程
• 2.3.2 氧化膜的性能检测
• 3 试验过程
• 3.1 试验技术路线
• 3.2 可行性探索试验
• 3.3 系统研究试验
• 4 试验结果分析与讨论
• 4.1 试验数据
• 4.2 用数学方法分析试验参数的影响
• 4.3 试验电流与处理温度的关系
• 4.4 氧化膜性能与温度的关系
• 4.5 氧化膜性能与时间的关系
• 4.6 氧化膜的形貌分析
• 4.7 氧化膜常见缺陷分析与讨论
• 4.7.1 氧化层脱落
• 4.7.2 氧化层裂纹
• 4.7.3 膜层色泽不均匀
• 5 氧化膜形成机理探讨
• 5.1 金属氧化机理
• 5.2 氧化膜形成的条件分析
• 5.2.1 氧化过程的一般描述
• 5.2.2 氧化膜形成的热力学条件分析
• 5.2.3 氧化膜形成的生长动力学分析
• 5.3 氧化膜的生长动力学规律
• 6 与其他氧化工艺的对比分析
• 6.1 钛合金微等离子体氧化工艺研究
• 6.1.1 钛合金微等离子体氧化的原理及特点
• 6.1.2 钛合金微等离子体氧化陶瓷膜的性能
• 6.2 钛合金热氧化工艺研究
• 6.2.1 钛合金热氧化工艺的原理及特点
• 6.2.2 钛合金热氧化试验研究
• 6.3 各表面处理技术之间的比较分析
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士期间发表的论文