TC4钛合金表面低温盐浴硼氧共渗研究

摘要

钛及钛合金因其诸多优异性能而广泛于航空航天、汽车制造、生物医学等国民经济领域，且TC4钛合金是最常用的钛合金。但是，钛合金“与生俱来”的表面硬度低等先天性缺陷，严重阻碍了其应用。表面渗硼、渗氧处理均可以改善钛合金的表面硬度和耐磨性，但是钛合金表面硼氧共渗研究尚属空白。本文研究了TC4钛合金表面低温盐浴硼氧共渗技术，所开展的探索性工作和取得的结果如下:
　　研究了TC4钛合金的盐浴硼氧共渗剂的组成成分。结果表明:单一硼砂型渗层表面检测到大量的Na2TiO3和微量的硼钛化合物，表面硬度为584.7 HV，共渗效果不理想;硼砂—碳粉型不能作为盐浴共渗剂，因为碳粉在倒入坩埚过程中燃烧致使共渗试验不能进行;硼砂—铝粉型渗层表面主要生成了Ti3Al、TiO2、TiB2、TiB12和Ti2B5，表面硬度为631.8 HV，有明显的共渗效果;硼砂—碳化硅型渗层表面主要生成了TiB12、Ti2B5、TiB25、TiO2和TiC，表面硬度为677.4HV，有明显的共渗效果;氯化钠—氧化硼—碳化硼型渗层表面主要生成了TiB、TiB2、TiB12、 TiO2和TiC，表面硬度为664.9HV，有明显的共渗效果。化学热力学分析显示:这三组共渗试验都发生了有利于硼氧共渗的反应，与试验结果吻合。
　　研究了添加铁粉、铁丝和扎铁丝对硼砂—碳化硅型共渗层SEM表面形貌、物相组成和表面硬度的影响。结果表明:与硼砂—碳化硅型共渗层相比，铁粉型和铁丝型共渗层并没有得到改善，而扎有铁丝的试样共渗层具有更好的表面质量（渗层表面生成大量的Al2O3和TiB等具有优良性能的硼钛化合物），更高的表面硬度（989.3 HV，增幅为46.04％）。采用化学热力学分析讨论了铁粉型和铁丝型共渗剂无明显催渗作用的原因，采用单一变量法和电化学模型解释了扎铁丝对盐浴硼氧共渗的催渗机理。
　　研究了TC4钛合金硼砂—碳化硅型盐浴共渗剂配方优化。研究了不同配方的共渗剂所得渗层SEM表面形貌与物相组成、横截面形貌与元素扩散情况、渗层厚度与梯度硬度、摩擦磨损性能与界面结合力。结果表明:90％ Na2B4O7+10％SiC共渗剂所得渗层具有质量较好的表面（主要由TiO2、Al2O3、TiB、TiB12、TiB25和TiC组成），较高的共渗层厚度(26.5μm)和表面硬度(1020 HV)，较低的摩擦系数(0.38)，较高的界面结合力(72.47 N)。
　　研究了氧化镧添加剂和共渗温度对盐浴硼氧共渗组织与性能的影响。结果表明:共渗层厚度随着La2O3添加量的增加呈先增大后减小的趋势，当La2O3添加量为3％时，共渗层厚度有最大值(32.74μm);与低温(950℃)盐浴共渗层相比，高温(1000℃)盐浴共渗层具有质量较好的表面（主要由TiB、TiB2和TiO2组成），较高的共渗层厚度（增幅为4.43％）和表面硬度（增幅为9.70％），相差不大的界面结合力（前者约为85.33N，后者约为87.36N），更低的摩擦系数（前者为0.32，后者为0.28）。
　　综上所述，本文成功开发了钛合金的低温盐浴硼氧共渗技术，初步揭示了其内在机理，为钛合金的表面处理提供了新途径。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钛及钛合金的特点及其应用

1．2．1 钛及钛合金的特点

1．2．2 我国钛合金研究现状及发展趋势

1．2．3 钛及钛合金的应用

1．2．4 钛及钛合金生产应用的限制因素

1．3 钛合金表面处理技术

1．3．1 气相沉积

1．3．2 热喷涂

1．3．3 三束改性

1．3．4 化学镀和电镀

1．3．5 热渗镀

1．3．6 微弧氧化

1．3．7 钛及钛合金表面处理技术的研究方向展望

1．4 渗硼技术概述

1．4．1 渗硼技术发展史

1．4．2 传统型渗硼方法

1．4．3 复合渗硼工艺

1．4．4 自蔓延高温渗硼共昌化技术

1．4．5 双层辉光等离子渗硼

1．5 钛合金表面渗氧技术概述

1．6 本文研究的目的和主要内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 课题研究主要内容

第二章 试验材料与研究方法

2．1 实验材料、试剂及设备

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验仪器及设备

2．2 实验步骤与工艺流程

2．2．1 盐浴硼氧共渗实验步骤

2．2．2 盐浴硼氧共渗实验工艺流程图

2．3 组织与性能检测

2．3．1 渗层横截面形貌的观察

2．3．2 渗层厚度与显微硬度的测量

2．3．3 X射线衍射之物相分析

2．3．4 扫描电子显微镜观测(SEM)和成分能谱分析(EDS)

2．3．5 膜基结合性能分析

2．3．6 摩擦磨损性能分析

第三章 盐浴硼氧共渗剂的成分组成研究

3．1 引言

3．2 单一硼砂型、硼砂—铝粉型和硼砂—碳粉型盐浴共渗剂

3．3 硼砂—碳化硅型和氯化钠—氧化硼—碳化硼型盐浴共渗剂

3．4 共渗层表面硬度

3．5 硼氧共渗试验的化学热力学分析

3．5．1 硼砂型共渗剂的化学热力学分析

3．5．2 硼砂—铝粉型共渗剂的化学热力学分析

3．5．3 硼砂—碳化硅型共渗剂的化学热力学分析

3．5．4 氯化钠—氧化硼—碳化硼型共渗剂的化学热力学分析

3．5．5 硼氧共渗过程化学热力学分析

3．6 本章小结

第四章 添加铁粉、铁丝的硼砂—碳化硅型盐浴硼氧共渗剂研究

4．1 引言

4．2 硼砂—碳化硅型、铁粉型、铁丝和扎铁丝型盐浴共渗剂

4．2．1 共渗剂组分与试验现象

4．2．2 SEM表面形貌、EDS分析及XRD分析

4．2．3 渗层表面硬度

4．3 分析与讨论

4．3．1 铁粉型共渗剂的化学热力学分析

4．3．2 铁丝型共渗剂的化学热力学分析

4．3．3 扎铁丝型共渗剂的电化学分析

4．4 本章小结

第五章 盐浴硼氧共渗剂配方优化

5．1 引言

5．2 渗层表面形貌与相组成

5．2．1 盐浴共渗配方的选取

5．2．2 渗层表面SEM形貌

5．2．3 共渗层表面XRD物相分析

5．3 渗层横截面形貌、厚度与线扫描

5．3．1 渗层横截面形貌及厚度

5．3．2 渗层横截面线扫描

5．4 共渗层横截面硬度梯度分布

5．5 渗层的摩擦磨损性能

5．5．1 摩擦系数

5．5．2 磨痕表面SEM形貌及EDS能谱分析图

5．6 渗层与基体的界面结合力

5．6．1 划痕SEM形貌图

5．6．2 渗层与基体的界面结合力临界值

5．7 讨论

5．8 本章小结

第六章 氧化镧添加剂和共渗温度对盐浴共渗组织与性能的影响

6．1 引言

6．2 氧化镧最佳添加量

6．3 低温盐浴共渗与高温盐浴共渗

6．3．1 渗层表面SEM形貌、EDS分析和XRD物相分析

6．3．2 渗层横截面形貌及渗层厚度

6．3．3 渗层横截面硬度梯度分布

6．3．4 渗层的摩擦磨损性能

6．3．5 渗层与基体的界面结合力

6．4 讨论

6．4．1 低温共渗与高温共渗的化学热力学分析

6．4．2 温度对共渗层形成过程的影响

6．4．3 低温共渗与高温共渗的经济性能分析

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 全文主要结论

7．2 本文的主要创新点

7．3 进一步工作与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果