形变织构及亚结构对Ti-6Al-4V合金氮化复合时效组织影响研究

摘要

Ti-6Al-4V(TC4)合金是世界上应用最广泛的钛合金，但硬度低、耐磨性差，本文设计820℃固溶处理+冷轧变形+450℃低温等离子渗氮及时效的复合工艺以提升Ti-6Al-4V整体综合性能。利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、EDS能谱分析、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射分析仪(XRD)、背散射电子衍射技术(EBSD)等手段分析表征变形组织及氮化组织变化，利用摩擦磨损测试、显微硬度测试考核评价了硬度和耐磨性。
　　变形组织结构分析显示，Ti-6Al-4V合金在820℃固溶处理冷却过程中发生了β-Ti向α-Ti的转变，随着变形量的增加，基体内部可能存在的亚稳态的α'相和β'相在轧制过程中进一步分解产生β-Ti，β-Ti的含量增多且分布在α-Ti晶界处，晶粒转动导致Burgers位向关系被破坏;试样经过急速水冷后，内部存在大量残余应力并在晶界处产生了大量的位错，位错互相缠结形成位错墙和位错胞，随着变形程度的增加，位错不断向晶粒内部运动、增殖，位错密度不断增大。合金织构随着变形量的增大发生了变化，由近似横向织构转变为横向织构，基面位向集中在TD方向，柱面位向集中在RD方向。
　　氮化组织结构研究表明，Ti-6Al-4V合金试样经过变形渗氮后，试样中没有氮化层、扩散层的明显界面，N元素扩散深入合金基体内部贯通于整个试样当中，生成了高硬TiN相，表面TiN含量高于心部含量，30％变形量试样TiN含量最多，分布最均匀。渗氮后试样内部β-Ti较渗氮前增多，发生了时效强化作用，部分α-Ti转变为β-Ti。生成的一部分TiN的{001}晶面、{110}晶面分别平行于β-Ti的{110}、{111}晶面在α-Ti晶界处与β-Ti中的Ti元素结合生成并向β-Ti生长;另有一部分TiN的{110}晶面沿着α-Ti{1120}晶面在α-Ti晶粒内部的位错处形核生成。未变形试样在450℃渗氮22h过程中发生了再结晶现象，晶粒尺寸减小了大约一倍，小角度晶界减少;30％变形量试样和50％变形量试样在渗氮过程中发生了回复与再结晶，50％变形试样的再结晶程度不如30％变形试样。影响TiN生成的材料内部因素主要有三个:位错密度、回复再结晶程度以及晶粒取向，生成TiN的含量由三者综合作用决定。位错密度越大、再结晶程度越高（晶界数量越多）、晶体织构越接近横向织构（基面位向集中在TD方向，柱面位向集中在RD方向），生成TiN越多，因此三者综合作用30％变形量试样的TiN含量最高。
　　性能研究显示，冷轧变形对合金耐磨性有提升作用;经过渗氮后摩擦系数和体积磨损率整体上进一步减小，30％变形量试样的体积磨损率最小。渗氮前试样的磨损机制主要为粘着磨损+疲劳磨损+少量磨粒磨损，冷轧变形后，磨粒磨损增多，30％变形量试样磨粒磨损现象最为明显;渗氮后，试样的磨损机制以磨粒磨损为主，同时渗氮22h试样心部硬度大幅度提升，说明冷轧形变促渗+低温渗氮及时效工艺能够有效地提升试样表面和心部性能，材料整体综合性能得到了较高提升。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1钛与钛合金

1．1．1概述

1．1．2钛的两种同素异构体

1．1．3钛合金微观组织

1．1．4钛与钛合金的性能

1．1．5钛合金的应用

1．2钛合金塑性变形及研究进展

1．2．1金属材料塑性变形及特点

1．2．2金属塑性变形微观机制

1．2．3钛合金塑性变形机理

1．2．4钛合金轧制变形研究进展

1．3钛合金织构

1．3．1织构的定义

1．3．2织构的表征方法

1．3．3钛合金的形变织构

1．3．4钛合金的再结晶织构

1．4背散射电子衍射技术

1．4．1背散射电子衍射技术简述

1．4．2背散射电子衍射技术的发展及应用

1．5几种渗氮技术简述

1．5．1气体渗氮

1．5．2低压脉冲渗氮

1．5．3辉光离子渗氮

1．5．4形变促渗

1．6研究课题的提出

1．6．1研究背景及思路

1．6．2本文的工作内容

1．6．3本文的研究内容

第2章实验方案设计及实验材料

2．1整体实验方案设计

2．2实验材料

2．3固溶工艺设计

2．2．1固溶设备

2．2．2固溶工艺及参数

2．4冷轧设备及工艺

2．4．1冷轧设备

2．4．2冷轧工艺及参数

2．5渗氮设备及工艺

2．5．1渗氮设备

2．5．2渗氮工艺及参数

2．6分析测试设备及方法

2．6．1金相组织观察

2．6．2 X射线衍射分析(XRD)

2．6．3扫描电子显微镜(SEM)及EDS能谱分析

2．6．4背散射电子衍射(EBSD)分析

2．6．5透射电子显微镜(TEM)分析

2．6．6摩擦磨损试验

2．6．7显微硬度测试

2．7本章小结

第3章Ti-6Al-4V合金变形组织结构的研究

3．1引言

3．2．1变形量对合金物相结构的影响

3．3不同变形量试样的金相组织

3．3．2不同变形量试样的金相组织分析

3．4不同变形量试样的相分布及相含量分析

3．4．1不同变形量试样的相分布

3．4．2不同变形量试样的相含量分析

3．5变形量对晶粒特征变化的影响

3．5．1不同变形量下合金晶粒大小的变化

3．5．2不同变形量试样晶粒尺寸统计

3．5．3不同变形量试样晶粒晶界取向差分析

3．5．4不同变形量试样位错形态及密度分析

3．6．1 0％变形量试样的晶粒取向分析

3．6．2 30％变形量试样的晶粒取向分析

3．6．3 50％变形量试样的晶粒取向分析

3．7变形过程中α-Ti与β-Ti的位向关系分析

3．7．2 30％变形量试样α-Ti与β-Ti的位向关系分析

3．7．3 50％变形量试样α-Ti与β-Ti的位向关系分析

3．8本章小结

第4章Ti-6Al-4V合金变形氮化组织结构的研究

4．1引言

4．2．1变形氮化后试样表面宏观形貌

4．2．2变形氮化后试样表面物相构成

4．2．3变形氮化后试样表面SEM形貌分析

4．2．4变形氮化后试样表面能谱分析

4．3 Ti-6Al-4V合金氮化层组织成分分析

4．3．1不同变形量氮化试样表层金相组织分析

4．3．2不同变形量氮化试样心部金相组织分析

4．3．3不同变形量氮化试样截面能谱分析

4．4不同变形量氮化试样相分布及相含量分析

4．4．1变形氮化试样的相分布

4．4．2不同变形量氮化试样的相含量分析

4．4．3变形氮化试样心部物相分布

4．5氮化过程中的回复再结晶分析

4．5．1渗氮前后晶粒大小变化分析

4．5．2渗氮前后晶界取向差变化分析

4．6不同变形量试样氮化后晶粒取向分析

4．6．1 0％变形量试样氮化后晶粒取向分析

4．6．2 30％变形量试样氮化后晶粒取向分析

4．6．3 50％变形量试样氮化后晶粒取向分析

4．7变形氮化过程中α-Ti、β-Ti与TiN的位向关系分析

4．7．2 30％变形量氮化试样α-Ti、β-Ti与TiN的位向关系分析

4．7．3 50％变形量氮化试样α-Ti、β-Ti与TiN的位向关系分析

4．8本章小结

第5章变形渗氮Ti-6Al-4V合金耐磨性的分析

5．1引言

5．2不同变形量下未渗氮试样的耐磨性分析

5．2．1摩擦系数

5．2．2体积磨损率

5．2．3磨痕形貌和磨损机制

5．3不同变形量下氮化试样的耐磨性分析

5．3．1摩擦系数

5．3．2体积磨损率

5．3．3磨损形貌和磨损机制

5．4变形Ti-6Al-4V合金渗氮前后显微硬度分析

5．4．1不同变形量氮化试样表面硬度分析

5．4．2不同变形量氮化试样心部硬度分析

5．4．3不同变形量氮化试样截面硬度梯度分析

5．5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