钛表面含Mo改性层摩擦磨损性能研究

摘要

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛及其合金都具有密度小、无磁性、比强度高、工作温度范围宽等特性，因此航空航天领域广泛采用钛及其合金制作飞机零件。钛的化学性质虽然活泼，但由于强烈的表面钝化倾向，使其具备良好的耐腐蚀性能，得以在海洋工程及化工等领域广泛应用。随着社会的发展，钛及钛合金还被广泛应用于汽车领域、生物材料领域和人们的日常生活用品中。钛合金具有诸多优点但其硬度低、耐磨性差、导热性差，而表面改性是扩展钛合金的应用范围的常用手段。
　　 本文采用等离子合金化技术，在TA2表面制备出连续、致密的Mo-Ti改性层，并分析工艺温度对改性层的成分分布梯度、厚度、硬度的影响。采用往复磨损实验机对不同工艺温度试样进行测试分析，分别探究不同载荷与不同往复周期对改性层摩擦磨损性能的影响。
　　 具体研究结果如下:
　　 1.不同工艺温度下制备的Mo改性层均由Mo沉积层和Mo-Ti扩散层组成，升高工艺温度， Mo-Ti扩散层的厚度明显增加，但是由于借助电压升温，造成试样表面源极粒子数量增加，沉积速度加快，Mo沉积层变厚。
　　 2.在0.5N载荷及不同工艺温度下改性层的表面复合硬度比基体高出5倍左右，Mo的本身的特性和MoTi固溶强化是硬度提高的主要原因，高温下制备的改性层性能出现劣化。经不同工艺温度处理后的基体晶粒有不同程度的长大，尤其是1050℃的基体晶粒长大最为严重，但是没有出现魏氏体。
　　 3.1N载荷下不同工艺温度的改性层均有明显耐磨性能，但是比磨损率随工艺温度升高而增大，表面粗糙度对摩擦系数影响较大，对试样表面进行抛光后，改性层的摩擦系数明显降低4.根据不同磨损周期磨痕的形貌分析，摩擦磨损过程分为:微切削、犁沟生成和扩展、稳定跑合三个阶段。
　　 5.3N载荷下，不同工艺温度试样的摩擦系数没有显著差别，降低表面粗糙度亦不能提高改性层的减摩效果，改性层的耐磨效果受改性层本征硬度和表面复合硬度共同影响，950℃试样的耐磨效果最佳。
　　 6.通过对900℃试样改性层的横截面进行纳米压入测试，得到其力学性能沿深度方向逐渐降低，改性层加载硬度最大值为17.4GPa，比基体(3.2GPa)提高了5.5倍，最外层弹性模量为247GPa，是基体的两倍。
　　 7.在磨损实验过程中我们发现900℃试样的改性层出现较大的剥落坑，其破坏机制有别于其他试样，所以对其改性层的失效机制做了深入分析。改性层失效方式并不是因为磨粒磨损减薄改性层致使基体裸露，而是当改性层因磨损减薄到一定程度时，由于表层与基体力学性能差异较大，出现疲劳磨损，导致变薄后的改性层剥落。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 钛及钛合金

1．1．1 钛的简介

1．1．2 钛合金概述

1．1．3 钛业概况

1．2 表面工程与技术概述

1．3 钛及钛合金表面处理

1．3．1 离子注入

1．3．2 激光熔覆

1．3．2 电火花沉积

1．3．3 薄膜技术

1．3．4 表面喷涂

1．4 双辉等离子合金化技术

1．4．1 双辉等离子合金化技术概述

1．4．2 放电理论

1．4．3 辉光放电

1．4．4 双辉等离子渗金属原理

1．4．5 双辉等离子渗金属技术特点

1．4．6 双辉等离子渗金属技术研究进展与应用

1．5 研究课题的提出

1．5．1 课题可行性分析

1．5．2 课题主要研究内容

第二章 纯钛表面等离子渗钼工艺

2．1 实验材料

2．2 实验设备及操作方法

2．2．1 实验设备

2．2．2 操作过程

2．3 纯钛渗钼工艺参数的选择

2．3．1 源极、工件极电压

2．3．2 工作气压

2．3．3 极间距

2．3．4 保温时间

2．3．5 试样温度

2．3．6 工艺参数的选择

第三章 不同工艺下合金层的表征

3．1 分析检测设备

3．2 Ti-Mo改性层显微结构和成分分析

3．3 Ti-Mo改性层物相结构分析

3．4 Ti-Mo改性层硬度分析

3．5 处理工艺对基体的影响

3．6 小结

第四章 不同工艺改性层摩擦磨损性能分析

4．1 金属材料摩擦磨损

4．1．1 摩擦

4．1．2 磨损

4．1．3 摩擦磨损实验方法

4．2 磨损实验

4．3 1N载荷下磨损试验结果及分析

4．3．1 摩擦系数

4．3．2 磨痕形貌

4．3．3 磨损量

4．4 3N载荷下磨损试验结果及分析

4．4．1 摩擦系数

4．4．2 磨痕形貌

4．4．3 磨损率

4．5 小结

第五章 改性层力学性能及失效分析

5．1 Mo-Ti改性层力学性能

5．2 Mo-Ti改性层失效分析

5．3 小结

第六章 结论

参考文献

硕士期间发表论文

致谢