钛合金等离子体浸没离子注入表面力学性能与抗氧化性能

摘要

Ti6Al4V具有良好的力学性能,其比重小,比强度高,有着广泛的应用领域。但是,该合金硬度低,耐磨性能差,并且化学活性高。当它与氧化性溶液(如双氧水等)接触后,由于合金的双相结构极易形成腐蚀原电池,加速氧化腐蚀过程,使零件过早的失效。因此,延长钛合金在氧化性氛围中的使用寿命,越来越受到人们的关注。本文采用等离子体浸没离子注入(PIII)技术,在Ti6Al4V合金表面制备一层改性层,用来提高该合金的抗氧化腐蚀性能。采用正交试验系统研究了注入电压、射频功率、注入气压、注入时间、注入元素种类五个注入参数对改性后Ti6Al4V的机械性能、电化学腐蚀性能、抗氧化化性能的影响。在此基础上,进一步研究了氮气注入条件下,注入气压单参数变化对改性后Ti6Al4V性能的影响规律,以及氧气注入条件下,注入时间单参数变化对改性后Ti6Al4V性能的影响规律。采用超小载荷显微硬度计测量试样改性后的显微硬度值,结果表明经过离子注入后试样的显微硬度均较基体提高。利用自制球盘式摩擦磨损试验机测量试样的摩擦系数,并且利用积分摩擦系数来表征材料的耐磨性能。采用电化学腐蚀测试仪测量改性层腐蚀极化曲线,根据塔菲尔(Tafel)外推法计算改性层的腐蚀电位、腐蚀电流,来表征改性层的电化学腐蚀性能。用精密天平称量双氧水浸泡10天前后的质量,计算单位质量损失率来表征材料抗氧化腐蚀性能,优化后的试验结果证实,注入后试样质量损失均比基体减小。扫描电子显微镜(SEM)观察离子注入形貌、电化学腐蚀形貌、氧化腐蚀形貌,氧化腐蚀后观察到晶界腐蚀、均匀腐蚀、均匀腐蚀加孔蚀及孔蚀四种典型形貌。在上述分析的基础上,提出了晶界缺陷密度和晶粒缺陷密度决定的腐蚀形貌判据。采用X射线光电子谱(XPS)分析浸泡氧化腐蚀前后试样表面成分,表明注入后试样表面形成化合物,氮注入后试样形成了TiNx。氧注入试样形成了TiO2,同时在注入试样表面发现了三价的钛原子,浸泡后试样表面发现了Ti-OH化合物。在上述结果基础上,提出了改性层氧化腐蚀的基本化学反应过程。综上所述,由于离子轰击、辐照作用,给表面带来了空位、位错和还原原子等缺陷。等离子体浸没离子注入处理,并不能阻止氧化腐蚀的进行,但是在适当的工艺条件下,对原子扩散氧化起抑制作用,延缓材料的氧化腐蚀行为,提高材料在氧化性溶液中的使用寿命。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 离子注入钛合金表面改性研究

1.2.1 耐磨性研究

1.2.2 耐蚀性研究

1.2.3 抗氧化性能研究现状

1.3 本课题研究内容

第2章 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法及工艺参数

2.4 分析检测方法

2.4.1 X射线光电子能谱(XPS)分析

2.4.2 扫描电镜(SEM)分析

2.4.3 超显微硬度测试

2.4.4 摩擦磨损测试

2.4.5 腐蚀测试

2.4.6 质量损失测试

2.5 本章小结

第3章 等离子体浸没离子注入Ti6Al4V正交试验

3.1 机械性能优化

3.1.1 改性层硬度分析

3.1.2 改性层摩擦学性能分析

3.1.3 小结

3.2 电化学腐蚀性能优化

3.2.1 改性层电化学腐蚀腐蚀性能分析

3.2.2 电化学腐蚀后形貌(SEM)

3.2.3 小结

3.3 抗氧化性能优化

3.3.1 改性层浸泡质量损失

3.3.2 小结

3.4 本章小结

第4章 等离子体浸没离子注入Ti6Al4V性能分析

4.1 氮等离子体浸没离子注入

4.1.1 硬度

4.1.2 耐磨性

4.1.3 耐蚀性

4.1.4 抗氧化性

4.2 氧等离子体浸没离子注入

4.2.1 硬度

4.2.2 耐磨性

4.2.3 耐蚀性

4.2.4 抗氧化性

4.3 本章小结

第5章 等离子体浸没离子注入Ti6Al4V抗氧化机理分析

5.1 氧化腐蚀形貌及形成机制

5.1.1 晶界腐蚀

5.1.2 均匀腐蚀

5.1.3 均匀腐蚀加孔蚀

5.1.4 孔蚀

5.2 注入层成分分析

5.2.1 注氮试样表面成分分析

5.2.2 注氧试样表面成分分析

5.3 氧化腐蚀的化学过程分析

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