预变形Ti-6Al-4V合金600℃以下碳氮共渗组织演变及性能研究

摘要

针对Ti-6Al-4V合金硬度低耐磨性差的缺点，我们选择预先对TC4合金进行840℃固溶处理，然后进行冷轧变形，最后在550℃及460℃两个相对低的温度下对合金进行不同保温时间碳氮共渗处理来达到提高合金综合性能的目的。利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)对变形试样和碳氮共渗处理试样进行组织结构分析。运用显微硬度、摩擦磨损试验测试合金的耐磨性。
　　TC4合金经过固溶处理和室温冷轧后，对变形试样进行组织分析，结果显示:合金内部由于固溶水冷产生的亚稳定α'相和β'相进一步分解为β相，随着变形量的增加β相含量逐渐增加，晶粒细化越来越明显。EBSD分析0％、30％、50％变形量试样组织，结果表明变形量越大晶粒尺寸越小，小角度晶界百分比先增大后减小，0％变形量试样经过水冷后内部产生大量残余应力并在晶界处产生位错，随着变形量增加内部位错密度不断增加，合金织构成分随着变形量增大织构类型由近似横向织构转变为横向织构。
　　经过550℃和460℃碳氮共渗后，扫描电镜下观察到试样表面沉积了白色颗粒，EDS能谱显示表面存在碳元素和氮元素，随着温度、保温时间、变形量变化表面碳氮元素含量也发生变化。观察试样截面并没有发现明显渗层，碳元素和氮元素从试样表面到心部均有分布，表面氮元素和碳元素高于心部碳元素和氮元素。XRD数据显示合金中主要形成了TiN、TiN0.3、Ti2N、CTi0.42V1.58、AlTi3(C、N)0.6、C及金属间化合物。EBSD技术分析550℃保温22h0％、30％、50％碳氮共渗试样，与变形试样比织构发生了偏转，强度发生了明显变化，原始织构强度明显减弱。随着变形量增加合金晶粒尺寸比变形试样有所减小，小角度晶界明显减少，β钛和TiN含量逐渐增加，在碳氮共渗过程中合金发生了回复再结晶且变形量越大再结晶程度越高。这些结果表明，相同的碳氮共渗工艺条件下材料的位错密度越高，晶粒尺寸越小晶界越多，晶体织构越接近于横向织构，生成的硬质相越多，碳氮共渗效果越好。
　　合金经过冷轧变形硬度在280HV-310HV之间，碳氮共渗后无论是表面硬度还是心部硬度都明显提升，550℃保温22h50％变形量试样硬度提高最大，表面硬度达到了最大值为587HV，接近心部位置硬度值为445HV。摩擦磨损实验结果显示，相同温度下保温时间延长合金的摩擦系数和磨损率不断减小，变形量增加摩擦系数和磨损率也呈现下降趋势。磨损机理主要以粘着磨损和磨粒磨损为主，其中本文所分析的试样中550℃保温22h40％变形量试样磨粒磨损现象最为明显，说明冷变形复合低温碳氮共渗工艺可以有效的提高TC4合金整体综合性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1论文的选题背景及意义

1．2钛及钛合金概述

1．2．1钛合金分类及特性

1．2．2钛合金显微组织

1．2．3 TC4钛合金简介

1．2．4钛合金的应用

1．3钛合金的表面处理方法及局限

1．3．1电镀技术

1．3．2激光熔覆技术

1．3．3离子注入技术

1．3．4微弧氧化技术

1．3．5热渗镀

1．3．6喷丸强化技术

1．3．7等离子渗氮和渗碳处理

1．4钛合金塑性变形及钛合金织构

1．4．1钛合金塑性变形及组织变化

1．4．2冷轧后织构的形成与表述

1．4．3变形织构

1．4．4再结晶织构

1．5脉冲离子渗氮概述

1．5．1脉冲离子渗氮理论

1．5．2脉冲离子渗氮的影响因素

1．5．3脉冲离子渗氮的特点

1．5．4形变促渗

1．5．5脉冲离子碳氮共渗

1．6．1研究目的

1．6．2主要研究内容

第2章实验材料及方法

2．1实验材料

2．2实验设备及工艺

2．2．1 TC4碳氮共渗前预处理

2．2．2碳氮共渗处理

2．3组织及性能表征方法

2．3．1金相组织分析

2．3．2扫描电镜及能谱分析

2．3．3 X射线衍射分析

2．3．4透射电子显微镜分析

2．3．5背散射电子衍射(EBSD)分析

2．3．6显微硬度测试

2．3．7摩擦磨损性能测试

2．4本章小结

第3章变形TC4低温碳氮共渗组织结构研究

3．1变形对TC4合金组织影响分析

3．1．1固溶处理及变形对TC4金相组织影响

3．1．2变形对碳氮共渗前TC4相结构影响

3．1．3变形对碳氮共渗前TC4相分布及相含量影响

3．1．4变形对碳氮共渗前TC4晶粒大小及晶粒取向影响

3．1．5变形对碳氮共渗前TC4位错形态及位错密度影响

3．2．1变形对TC4碳氮共渗后表面形貌影响

3．2．2变形对TC4碳氮共渗后表面物相影响

3．3．1 30％变形量TC4碳氮共渗后表面形貌

3．2．3 30％变形量TC4碳氮共渗后表面物相

3．3变形对TC4碳氮共渗后截面组织影响分析

3．3．1变形对TC4碳氮共渗后截面心部金相组织影响

3．3．2变形对TC4碳氮共渗后截面渗层组织成分影响

3．3．3变形对TC4碳氮共渗后截面物相影响

3．4 30％变形量TC4碳氮共渗后截面组织及相结构分析

3．5．1变形对TC4相分布及相含量影响

3．5．2变形对TC4碳氮共渗后回复再结晶影响

3．5．3变形对TC4晶粒取向影响

3．6本章小结

第4章变形TC4低温碳氮共渗耐磨性研究

4．1变形对TC4碳氮共渗显微硬度影响分析

4．1．1变形对TC4碳氮共渗后表面硬度影响

4．1．2 30％变形量TC4碳氮共渗后表面硬度

4．2．1变形对TC4碳氮共渗后截面硬度梯度影响

4．2．2 30％变形量TC4碳氮共渗后截面硬度变化

4．3变形对TC4碳氮共渗后摩擦磨损性能影响分析

4．3．1变形对TC4碳氮共渗后摩擦系数影响

4．3．2变形对TC4碳氮共渗后磨损率影响

4．3．3变形对TC4碳氮共渗后磨损行为影响

4．4．1 30％变形量TC4碳氮共渗后摩擦系数

4．4．2 30％变形量TC4碳氮共渗后摩损率

4．4．3 30％变形量TC4碳氮共渗后磨痕形貌及磨损机理

4．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢