TC4钛合金表面原位生长耐磨损陶瓷膜研究

论文摘要

本课题针对钛合金紧固件摩擦学性能的改善,将微等离子体氧化技术应用在钛合金紧固件表面改性上,以提高其可靠性和重复使用性。利用微等离子氧化技术在Ti-6Al-4V板材表面原位生长耐磨损陶瓷膜层,通过电解液体系的选择,工艺参数的优化以及性能改善剂的掺杂,系统地分析了各种因素对膜层结构与性能的影响规律,为微等离子体氧化法在钛合金紧固件上的实际应用奠定了基础。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电子能谱仪（EDS）、原子力显微镜（AFM）等测试手段,分析膜层的相及元素组成,观察膜层及磨痕形貌;利用电涡流测厚仪测试膜层厚度、数显显微硬度计测试膜层表面硬度值;通过球-盘式摩擦实验机研究了膜层的单向滑动摩擦系数,用往复式摩擦磨损实验机测试了膜层的耐磨损性能。研究表明,铝酸盐溶液体系下制备的膜层耐磨损性能优异,微等离子体氧化工艺对陶瓷膜层微观结构和性能有很大影响,通过工艺参数的调整,膜层表面硬度值在150～640HV,在低载荷下摩擦系数的平均值在0.07～0.40之间可调,在高载荷下耐磨损性能最高可达128次循环使用寿命。性能改善剂的掺杂有效地改善了膜层的结构和性能,Na2B4O7使得膜层结晶程度更高,厚度、硬度、致密性及均匀性均得到增强,在低载荷的摩擦系数降低了64%,高载荷下的循环使用寿命增加到840次。通过选择合适的电解液成分及优化工艺参数,可在钛合金表面原位生长耐磨损陶瓷膜层,改善了钛合金的摩擦学性能,从而降低了材料的摩擦系数,延长其使用寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源、目的和意义
• 1.2 钛合金紧固件的应用发展现状
• 1.3 钛合金的表面强化处理研究现状
• 1.3.1 激光融覆表面处理
• 1.3.2 表面沉积涂层法
• 1.3.3 热扩散法
• 1.3.4 表面纳米化处理
• 2 相结合的方法'>1.3.5 化学硼化和涂覆MoS₂相结合的方法
• 1.3.6 微等离子体氧化法
• 1.4 微等离子体氧化研究现状
• 1.4.1 微等离子体氧化技术特点
• 1.4.2 微等离子体氧化过程的基本原理
• 1.4.3 微等离子体氧化理论模型
• 1.4.4 微等离子体氧化技术所用设备
• 1.4.5 微等离子体氧化技术所用电解液
• 1.5 钛合金微等离子体氧化研究
• 1.6 课题的主要研究内容
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 试验材料及化学试剂
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 微等离子体氧化装置
• 2.2.2 微等离子体氧化电源
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 微等离子体氧化陶瓷膜层的制备
• 2.3.2 显微组织与结构分析方法
• 2.3.3 陶瓷膜层性能评价方法
• 第3章 TC4 钛合金微等离子体氧化电解液体系筛选
• 3PO₄ 体系陶瓷膜的制备及表征'>3.1 Na₃PO₄体系陶瓷膜的制备及表征
• 3.1.1 陶瓷膜生长的电压时间曲线
• 3.1.2 陶瓷膜的形貌分析
• 3.1.3 陶瓷膜的相组成
• 3.1.4 陶瓷膜的膜厚及硬度
• 3.1.5 陶瓷膜的摩擦磨损性能
• 3.1.6 陶瓷膜的磨损机制
• 2-Na₂CO₃ 体系陶瓷膜的制备及表征'>3.2 NaAlO₂-Na₂CO₃体系陶瓷膜的制备及表征
• 3.2.1 陶瓷膜生长的电压时间曲线
• 3.2.2 陶瓷膜的形貌分析
• 3.2.3 陶瓷膜的相组成
• 3.2.4 陶瓷膜的膜厚及硬度
• 3.2.5 陶瓷膜的摩擦磨损性能
• 3.2.6 陶瓷膜的磨损机制
• 3.3 本章小结
• 第4章 电源参数对膜层性能的影响研究
• 4.1 电流密度对陶瓷膜成膜性能的影响
• 4.1.1 陶瓷膜层的电压时间曲线
• 4.1.2 陶瓷膜的表面形貌分析
• 4.1.3 陶瓷膜的相组成
• 4.1.4 陶瓷膜的硬度
• 4.1.5 陶瓷膜的摩擦磨损性能
• 4.2 电源频率对陶瓷膜成膜性能的影响
• 4.2.1 陶瓷膜层的电压时间曲线
• 4.2.2 陶瓷膜的表面形貌分析
• 4.2.3 陶瓷膜的相组成
• 4.2.4 陶瓷膜的硬度
• 4.2.5 陶瓷膜的摩擦磨损性能
• 4.3 电源占空比对陶瓷膜成膜性能的影响
• 4.3.1 陶瓷膜层的电压时间曲线
• 4.3.2 陶瓷膜的表面形貌分析
• 4.3.3 陶瓷膜的相组成
• 4.3.4 陶瓷膜的硬度
• 4.3.5 陶瓷膜的摩擦磨损性能
• 4.4 氧化时间对陶瓷膜成膜性能的影响
• 4.4.1 陶瓷膜层的电压时间曲线
• 4.4.2 陶瓷膜的表面形貌分析
• 4.4.3 陶瓷膜的相组成
• 4.4.4 陶瓷膜的硬度
• 4.4.5 陶瓷膜的摩擦磨损性能
• 4.5 本章小结
• 第5章 微等离子体氧化性能改善剂研究
• 2MoO₄ 掺杂对膜层结构与性能的影响'>5.1 Na₂MoO₄掺杂对膜层结构与性能的影响
• 5.1.1 氧化工艺的电压时间曲线
• 5.1.2 膜层的表面形貌
• 5.1.3 膜层表面的元素组成分析
• 5.1.4 膜层的表面相组成
• 5.1.5 陶瓷膜的硬度
• 5.1.6 膜层摩擦磨损性能
• 2B₄O₇ 掺杂对膜层性能的影响'>5.2 Na₂B₄O₇掺杂对膜层性能的影响
• 5.2.1 氧化工艺的电压时间曲线
• 5.2.2 膜层的表面形貌
• 5.2.3 膜层表面的元素组成分析
• 5.2.4 膜层的表面相组成
• 5.2.5 陶瓷膜的硬度
• 5.2.6 膜层摩擦磨损性能
• 5.3 膜层的摩擦磨损机制
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢