TC21合金表面Cr-Al共渗合金层的制备及摩擦磨损性能研究

摘要

TC21钛合金是一种新型的损伤容限型两相（α+β）钛合金，具有高的抗拉强度和疲劳强度、高韧性、抗裂纹扩展能力以及良好焊接性能，在航空航天领域中有着巨大的应用前景。但其表面硬度低和耐磨性能的不足，限制了合金的使用范围。针对上述问题，采用双辉等离子表面冶金技术在TC21合金表面制备Cr-Al共渗层，以提高合金的摩擦磨损性能。
　　制备Cr-Al共渗合金层的最佳工艺参数为：源极电压1000 V，阴极电压450V，工作气压40 Pa，保温时间4h。利用SEM、EDS、XRD对Cr-Al共渗合金层的表面形貌、截面形貌、元素分布及相组成进行分析，结果表明：厚度约为35μm Cr-Al共渗合金层表面均匀致密，不存在裂纹孔洞等缺陷；表面相组成主要为A18Cr5、Al7Cr、Al11Cr4、Cr、Al9Cr4以及Cr2Ti相；Cr-Al共渗合金层的硬度为946HV0.1，比基体提高近3倍。共渗合金层的划痕试验表明，Cr-Al共渗合金层至少能够承受71N的垂直载荷，合金层与基体的结合良好。纳米压痕试验表明，共渗合金层表面纳米硬度为7.506GPa、弹性模量为555.43Gpa，与基体相比较分别提高了约2.36倍和3.65倍。
　　球盘磨损试验表明在不同载荷、滑动速度、温度、摩擦副条件下，Cr-Al共渗合金层减摩性能和耐磨性能明显优于TC21基体，具体体现在合金层的较低摩擦系数以及降低一个数量级比磨损率，在滑动速度由低速（5m/min和10m/min）变为高速时（15m/min和20m/min），共渗合金层表面磨损机制由轻微的刮擦和磨粒磨损转变为氧化磨损和轻微的剥层磨损，730g载荷下摩擦磨损试验时共渗合金层出现轻微的剥落。500℃共渗合金层磨痕表面生成致密氧化膜对基体进行保护，并磨痕表面处于新氧化膜的形成和旧氧化膜的失效这种动态平衡中。当摩擦副为Si3N4时，共渗合金层和TC21合金表现出的摩擦磨损性能最不理想。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 损伤容限型钛合金发展近况

1.2 改善钛合金耐磨性能研究进展

1.3 双辉等离子表面冶金技术

1.4 课题的提出及可行性分析

1.5 研究目标与内容

1.6 研究路线

第二章 试验材料和方法

2.1 Cr-Al共渗合金层制备

2.2. Cr-Al共渗合金层性能测试

2.3 摩擦磨损试验分析

第三章 TC21合金表面等离子 Cr-Al 共渗工艺研究

3.1 正交试验设计

3.2 试验结果与分析

3.3 最佳工艺参数的优化分析

3.4 本章小结

第四章 Cr-Al共渗合金层的组织结构及力学性能分析

4.1 Cr-Al共渗合金层的成分与形貌

4.2 Cr-Al共渗合金层的相结构分析

4.3 Cr-Al共渗合金层显微硬度测试

4.4 Cr-Al共渗合金层结合力测试

4.5 Cr-Al共渗合金层纳米压痕试验

4.6 本章小结

第五章 Cr-Al 共渗合金层摩擦磨损性能研究

5.1 滑动速度对Cr-Al共渗合金层摩擦性能的影响

5.2 载荷对Cr-Al共渗合金层摩擦性能的影响

5.3 温度对Cr-Al共渗合金层摩擦性能的影响

5.4 摩擦副对Cr-Al共渗合金层摩擦性能的影响

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

在学期间发表过的论文及参与的科研项目