TiAlN涂层梳刀膜-基系统激光微织构/冲击复合工艺研究

摘要

当今世界，油气资源愈加紧缺，开采环境愈发恶劣。镍基高温合金是该环境下理想的油井管材料，国际通行的加工镍基合金油套管管螺纹的刀具是硬质合金管螺纹涂层梳刀。由于刀具所处工况复杂，致使涂层刀具膜-基系统性能与减摩润滑状态差，刀具寿命短，加工效率低。为此，改善涂层刀具的膜-基系统性能与摩擦磨损状态具有极其重要的意义。
　　针对涂层梳刀膜-基系统与摩擦磨损性能提升的需求，本文提出基于TiAlN涂层梳刀膜-基系统的激光微织构/冲击复合工艺，即涂层梳刀基体激光微织构与其涂层表面激光冲击强化的复合工艺。为了探究该复合工艺思想，本文开展了硬质合金TiAlN涂层梳刀的膜-基系统性能与摩擦磨损状态探索性试验研究。主要内容有:
　　首先，在刀具基体上进行了激光微织构的加工。采用光纤激光器，在硬质合金刀具基体上进行了不同工艺参数的微凹坑织构，分析了加工功率、加工次数与扫描路径等工艺参数对微凹坑尺寸及形貌的影响。结果显示:激光加工功率7W，加工次数3～5次，光斑走封闭式阿基米德螺旋线在所选用的参数中较为合适。
　　其次，探讨了膜-基系统激光微织构/冲击复合工艺对TiAlN涂层刀具膜-基系统匹配性能的影响。采用PVD技术对微织构刀具表面进行了TiAlN涂层的沉积，再利用纳秒激光对该基体微织构涂层刀具的涂层表面进行激光冲击强化，分析了膜-基系统激光微织构/冲击复合工艺对涂层刀具表面残余应力与显微硬度的影响规律。结果显示:TiAlN涂层梳刀膜-基系统激光微织构/冲击复合工艺使涂层刀具的表面残余应力与显微硬度得到了明显改善。
　　最后，研究了膜-基系统激光微织构/冲击复合工艺对TiAlN涂层刀具膜-基结合力与摩擦磨损性能的影响。分析了膜-基系统激光微织构/冲击复合工艺对涂层刀具膜-基结合力、摩擦系数与磨痕形貌的影响。结果显示:单一刀具基体微织构工艺，合适的微凹坑几何形貌特征使涂层表面的摩擦系数更加稳定;与基体微织构工艺相比，膜-基系统激光微织构/冲击复合工艺对膜-基结合力有明显提高，但并未使涂层刀具表面摩擦系数与磨痕形貌得到进一步改善;与传统涂层梳刀比较，基体微织构工艺与膜-基系统激光微织构/冲击复合工艺涂层刀具的磨损机制并未发生改变，但是涂层刀具的摩擦磨损性能得到了一定改善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和科学意义

1．2 表面微织构的发展研究现状

1．2．1 表面微织构在摩擦学上的发展现状

1．2．2 表面复合微织构工艺的研究现状

1．2．3 刀具表面微织构的发展现状

1．3 激光冲击强化技术的发展研究现状

1．4 激光表面复合强化技术

1．5 本文研究的主要内容

第二章 激光表面微织构与激光冲击强化工艺基础

2．1 激光微织构与激光冲击复合加工工艺思想

2．2 激光表面微织构加工理论基础与影响因素

2．2．1 激光表面徽织构的理论基础

2．2．2 激光表面织构加工的影响因素

2．3 激光冲击强化技术

2．3．1 激光强化技术理论基础

2．3．2 约束条件下激光冲击波峰值压力计算

2．3．3 激光冲击波诱导残余应力机理

2．4 涂层形成机制理论基础

2．4．1 涂层刀具膜-基结合系统及其应力状态

2．5 本章小结

第三章 刀具基体激光微织构的加工

3．1 引言

3．2 刀具基体微织构试验设计与检测

3．2．1 刀具材料

3．2．2 激光微织构的加工设备

3．2．3 激光微织构的检测设备

3．3 刀具基体微织构尺寸与形貌分析

3．3．1 刀具基体微凹坑三维形貌分析

3．3．2 激光功率与加工次数对刀具基体微凹坑尺寸的影响

3．3．3 刀具基体激光微凹坑阵列

3．4 本章小结

第四章 膜-基系统激光复合工艺对涂层刀具膜-基匹配特性的影响

4．1 引言

4．2 试验设计

4．2．1 试样准备

4．2．2 涂层制备装置

4．2．3 激光冲击设备及其工艺参数

4．2．4 涂层刀具表面残余应力检测设备及其工艺参数

4．3 涂层后刀具表面形貌

4．4 TiAlN涂层刀具表面残余应力分析

4．5 TiAlN涂层刀具表面显微硬度分析

4．6 本章小结

第五章 膜-基系统激光复合工艺对涂层刀具摩擦磨损性能的影响

5．1 引言

5．2 试验设计

5．2．1 试样准备

5．2．2 润滑条件

5．2．3 试验设备

5．3 膜-基结合力分析

5．4 摩擦磨损试验结果与理论分析

5．4．1 摩擦系数的分析

5．4．2 磨损形貌的分析

5．5 本章小结

第六章总结与展望

6．1 研究工作的主要结论

6．2展望

参考文献

致谢

攻读研究生期间发表的论文与研究成果