齿轮用TC21-DT钛合金表面稀土-硼共渗强化及其磨削加工研究

摘要

钛合金具有密度小、比强度高、抗蚀性优异等突出优点，是一种代替合金钢制造轻量化航空传动机构功能部件的材料。作为齿轮等传动零件材料使用，钛合金存在硬度低，抗剥蚀能力低，容易发生粘结磨损等问题，解决这些问题的途径是提高钛合金的强度和耐磨性。通过表面强化技术增加钛合金齿轮表面硬度，降低摩擦系数，提高耐磨性能，可以使钛合金齿轮表面达到齿轮零件所需的使用性能。本文采用理论和试验相结合的方法，以新型高强高韧高损伤容限型钛合金TC21-DT为研究对象，探索提高钛合金表面硬度的机制和方法，研究表面强化钛合金磨削加工工艺，研究钛合金齿轮表面粘着磨损及表面接触疲劳性能，为实现钛合金齿轮的应用奠定基础。
　　本文主要研究工作和取得成果如下：
　　1.在稀土-硼共渗（RE-B）钛合金表面非稳态扩散过程研究的基础上建立了稀土催化加速TC21-DT钛合金表面渗硼过程动力学模型和稀土加速渗层生长模型；研究了TC21-DT钛合金表面稀土催化渗硼层的微观组织、物相和硬度，发现渗层强化相主要是TiB2和TiB，渗层表面硬度达到3200HV0.01，表面硬度呈梯度化规律分布；分析了稀土催化硼原子扩散机制，得到了TC21-DT钛合金表面RE-B共渗强化方法。
　　2.根据渗硼强化TC21-DT钛合金表面硬质相特征建立了渗层硬质相的单轴压缩构型及渗层表面磨损模型；研究了硬质相颗粒尺寸效应对渗硼强化表面摩擦性能的影响，得到了渗硼强化TC21-DT钛合金表面的摩擦磨损特性，发现通过颗粒强化可有效降低微凸体塑性变形及表面粘着，减少钛合金表面粘着磨损。
　　3.建立了表面增强钛合金磨削接触区表面应变梯度模型及磨削比能模型，研究了磨削参数、砂轮等因素对渗硼强化TC21-DT钛合金磨削加工的磨削力、磨削温度和磨削比能的影响，发现当磨削切除材料尺寸与硬质相晶粒特征长度相当时，磨削表面剪切强度增大，弹性变形降低，砂轮磨粒与渗层之间摩擦减小。
　　4.分析了渗硼强化TC21-DT钛合金磨削加工表面的表面粗糙度、裂纹、塑性变形、微观硬度、烧伤层和残余应力，研究了磨削参数、硬质相颗粒等因素对渗硼强化TC21-DT钛合金磨削加工表面完整性的影响，得到了具有较好表面完整性的渗硼强化TC21-DT钛合金磨削加工工艺。
　　5.通过齿轮接触疲劳试验研究了RE-B共渗TC21-DT钛合金齿轮的接触疲劳性能，分析了TC21-DT钛合金齿轮失效机制，结果显示RE-B共渗处理及较好的磨削加工表面完整性可提高钛合金齿轮表面的抗粘着磨损性能和接触疲劳性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 齿轮用钛合金及其表面强化研究

1.3 钛合金磨削加工研究

1.4 磨削表面完整性对齿轮接触疲劳性能影响

1.5 本文主要研究内容

第二章 钛合金表面RE-B共渗及其过程动力学研究

2.1 引言

2.2 钛合金表面RE-B共渗过程动力学研究

2.3 试验方法

2.4 试验结果与分析

2.5 本章小结

第三章 RE-B共渗钛合金表面硬质相颗粒尺寸效应

3.1 引言

3.2 渗层表面压缩构型及磨损模型

3.3 试验方法

3.4 颗粒强化表面摩擦磨损性能

3.5 本章小结

第四章 RE-B共渗钛合金表面磨削研究

4.1 引言

4.2 磨削接触区应变梯度研究

4.3 磨削试验

4.4 磨削工艺对磨削加工的影响

4.5 硬质相颗粒强化对磨削加工的影响

4.6 本章小结

第五章 RE-B共渗钛合金磨削表面完整性研究

5.1 引言

5.2 试验方法

5.3 表面完整性评价

5.4 磨削工艺分析

5.5 本章小结

第六章 钛合金齿轮表面接触疲劳性能研究

6.1 引言

6.2 接触疲劳试验

6.3 钛合金齿轮接触疲劳性能

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 进一步研究方向

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录 攻读博士学位期间参加科研项目情况