氢、氮化和热氧化对钛合金性能影响的研究

摘要

本文研究氢对钛合金显微组织和机械性能的影响及热氧化、氮化对钛合金的表面强化作用，对于钛合金在航空航天领域的应用具有理论和实际意义，扩展了钛合金的应用范围，也对具体制定钛合金加工和热处理工艺具有指导作用。主要包括下面三方面的工作： (1)采用人工充氢的方法，研究氢对钛合金的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响规律及氢的作用机理； (2)采用氨气、氨气-氧气和纯氮气为气源进行钛合金离子氮化，研究氮化层的组织结构、硬度分布和摩擦磨损性能及不同气源的氮化机理。 (3)研究钛合金的热氧化/真空扩散处理层的硬度、组织结构和摩擦磨损性能及形成机理。 研究表明：氢对TC4和TA2的金相组织、硬度、抗拉强度(σb)、断面收缩率(ψ)及冲击韧性(αk)都有影响。随着冷热循环次数的增加，含氢TC4钛合金抗拉强度上升，断面收缩率和冲击韧性下降。以氨气、氨气-氧气和纯氮气为气源都获得了离子氮化层。以纯氮气为气源的离子氮化可以避免氮化层中氢含量的增加。利用热氧化/真空扩散的方法，850℃氧化60min+24h真空扩散处理获得了Hv680，厚度180μm的硬化层，具有最好的耐磨性能。

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声明及长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文原创性声明

第一章绪论

1.1钛及钛合金简介和应用

1.2氢在钛合金中的存在状态

1.2.1钛-氢相图分析

1.2.2氢对钛合金相变的影响

1.2.3氢在钛合金中的存在特点

1.3钛合金中氢的作用方式

1.3.1氢脆的概念

1.3.2氢脆的形成机理

1.3.3钛合金氢脆的影响因素

1.3.4氢对钛合金机械性能的影响

1.4热氢技术及其应用

1.4.1铸造钛合金的晶粒细化

1.4.2钛合金的扩散加工及残钛处理

1.4.3氢对切削加工的影响

1.4.4钛基复合材料

1.5钛合金离子氮化的原理及应用

1.6钛合金热氧化/真空扩散处理的原理及应用

1.7氢对钛合金组织和性能影响的研究现状

1.8钛合金离子氮化的研究现状

1.9钛合金热氧化/真空扩散处理的研究现状

1.10本文主要研究内容和技术方案

1.10.1氢对钛合金性能影响的研究

1.10.2氮对钛合金性能影响的研究

1.10.3氧对钛合金性能影响的研究

第二章氢对钛合金组织和性能的影响

2.1前言

2.2 实验条件和方法

2.2.1原材料和试样尺寸

2.2.2试样的充氢

2.2.3充氢试样的冷热循环处理

2.2.4相分析

2.2.5机械性能试验

2.3实验结果分析

2.3.1氢对钛合金组织结构的影响

2.3.2氢含量对钛合金硬度的影响

2.3.3氢含量对钛合金拉伸性能的影响

2.3.4氢含量对钛合金冲击性能的影响

2.3.5冷热循环对含氢钛合金组织和性能的影响

2.4 分析和讨论

2.4.1 TC4和TA2中的氢化物

2.4.2氢化物对TC4和TA2组织和性能的影响

2.4.3冷热循环对含氢钛合金组织和性能的影响

2.5本章小结

第三章钛合金离子渗氮的研究

3.1 前言

3.2 离子氮化设备

3.3 试验方法

3.3.1原材料和试样制备

3.3.2物相分析

3.4 实验结果分析

3.4.1 TC4以氨气为气源的离子氮化组织和性能分析

3.4.2 TA2以氨气为气源的离子氮化组织和性能分析

3.4.3钛合金以氨气-氧气为气源的离子氮化组织和性能分析

3.4.4 TC4钛合金以纯氮气为气源的离子氮化

3.4.5 TC4和TA2以纯氮为气源离子氮化层的摩擦磨损性能分析

3.4.6氢对TC4和TA2离子氮化层的影响规律

3.5离子氮化机理和气源选用的探讨

3.5.1以氨气为气源离子氮化机理的探讨

3.5.2以纯氮气气为气源离子氮化机理的探讨

3.6本章小结

第四章氧对钛合金表面的强化

4.1前言

4.2 实验方法和设备

4.2.1实验材料和处理方法

4.2.2检验方法

4.3 实验结果分析

4.3.1不同温度不同时间氧化膜的颜色及结合力

4.3.2不同温度下氧化膜的硬度分布

4.3.3氧化膜组织和结构

4.3.4氧化+真空处理对摩擦磨损性能的影响

4.3.5氧化膜的形成机理

4.3.6本章小结

第五章结论和展望

参考文献

作者简历

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