ZTA15合金表面电火花沉积与熔覆强化技术研究

摘要

ZTA15钛合金是一种高比强度结构材料，具有较高的强度和良好的耐蚀。但它的硬度较低耐磨性较差，铸件常因材料表面的磨损而失效和破坏。为了提高ZTA15合金铸件表面硬度，本文采用电火花表面沉积和堆焊熔覆工艺对ZTA15钛合金进行表面强化处理，并对这两种表面强化技术进行了研究。 分别采用石墨、YG11、Ni45、Stellite6、碳化铬五种电极在ZTA15钛合金表面进行电火花沉积处理，可得到10μm～100μm不同性能的沉积层。沉积层是电极与基体在脉冲放电作用下冶金反应的产物，分别含有碳化物或金属化合物等硬质相。沉积层的硬度相比基体提高了1～5倍，其中石墨电极沉积层的硬度最高，高达2000HV0.05。 钛合金电火花沉积层的厚度受电容量和沉积时间的影响。电容量720 μF时，YG11和碳化铬电极沉积层厚度达到峰值，而石墨、Ni45和Stellite6电极沉积层厚度随电容量的增加一直增厚，但增加趋势变缓。当沉积时间超过2min金属电极沉积层开始出现微裂纹，微裂纹随时间的发展限制了沉积层增厚，因此金属电极沉积层的厚度随着沉积时间的延长先增加后减小，峰值出现在比沉积时间1.3min/cm<'2>左右；而石墨电极沉积层厚度是随着时间的延长不断增厚，但增加趋势变缓。在优化工艺下，钛合金的表面电火花沉积层厚度可达到100μm，适合于不需要再加工或磨损较轻的工况条件。 通过合金化方法研制了一种高硬度的堆焊钛合金(D1合金)，其铸态硬度为HRC38.5，采用TIG焊在ZTA15基体上堆焊D1合金，堆焊后D1合金表面硬度可达到HRCA5.8。表面堆焊层厚度可达3mm以上，并且堆焊层熔合区组织致密，未发现裂纹、气孔等缺陷。 堆焊试样截面硬度呈梯度分布，堆焊层的硬度达到420HV0.2。堆焊层合金抗拉强度达到1080MPa，高于ZTA15基体的985MPa，热影响区强度与基体相当。堆焊层与基体结合良好，结合强度高于基体的抗拉强度。堆焊层合金的抗剪强度高于基体，达到776MPa，具有良好的抗剪切性能。堆焊层及热影响区的冲击吸收功分别为20J和30J。对堆焊层断口进行分析发现试样的断裂机制为微孔聚集型断裂。D1合金在ZTA15阀门密封面强化的工程项目中得到了应用，获得了质量良好的密封面强化层，提高了阀门的使用寿命。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号清单、图表目录

声明

第一章引言

1.1钛合金表面强化技术概况

1.2电火花表面沉积技术现状

1.2.1电火花表面沉积技术原理

1.2.2电火花表面强化技术的特点

1.2.3电火花表面沉积技术的应用

1.2.4钛合金电火花表面强化研究现状

1.3堆焊熔覆技术现状

1.3.1钨极氩弧堆焊

1.3.2堆焊技术特点

1.3.3堆焊技术的应用及研究现状

1.4本研究的目的、意义及研究内容

1.4.1目的及意义

1.4.2研究内容

第二章ZTA15合金表面电火花沉积技术研究

2.1实验条件及方法

2.1.1实验材料及设备

2.1.2实验分析方法

2.2实验结果及分析

2.2.1沉积层相结构

2.2.2沉积层表面形貌及成分

2.2.3沉积层显微组织

2.2.4沉积层截面元素分布

2.2.5沉积层硬度特性

2.2.6 工艺参数对沉积效果的影响

2.3电火花沉积技术在钛合金应用方面的讨论

2.4本章小结

第三章ZTA15合金表面堆焊熔覆研究

3.1堆焊合金材料的设计

3.2实验材料及方法

3.3堆焊材料研究结果与分析

3.3.1堆焊合金的显微组织与相结构

3.3.2堆焊材料硬度特性

3.4表面堆焊实验

3.4.1堆焊层表面及内部质量检测

3.4.2堆焊层组织与相结构

3.4.3堆焊层元素分布

3.4.4堆焊层性能分析

3.5 D1高硬度钛基堆焊材料的工程应用

3.6本章小结

结论

参考文献

致谢

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