钛基表面TiC--Fe梯度涂层的微观组织表征及力学性能研究

摘要

钛及钛合金因其低的密度，高的比强度，良好的耐腐蚀性和抗氧化性而广泛应用于航空航天，海洋，化学和生物医学领域。但是低的硬度，高的摩擦系数和低的耐磨损性能限制了它的应用，特别是对于需要特定表面性能的领域。碳化钛由于具有高硬度(28-35GPa)，高熔点(30670C)，低摩擦系数、优异的耐磨性以及与钛具有相似的密度(4.93g/cm3)，可作为涂层材料来延长钛合金的使用寿命。因此，本文以灰口铸铁作为固体碳源，以商业纯钛作为基体，采用两步法热处理工艺(1150℃保温5min+1000℃保温10h)在钛基体表面原位制备TiC-Fe梯度涂层。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射技术(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)对TiC-Fe梯度涂层的微观组织、物相分布以及TiC颗粒的形貌进行表征，并对其形成机理进行了详细的分析；采用纳米压痕仪、单程划痕仪和摩擦磨损试验机对涂层的硬度、弹性模量、断裂韧性、涂层/基体界面结合强度及耐磨损性能进行了评估，并分析了其强韧化机理和摩擦磨损机理。研究结果表明： (1)TiC-Fe梯度涂层的微观组织呈梯度变化，即从涂层表面到钛基体，碳化钛颗粒的体积分数逐渐增加，而α-Fe相的体积分数逐渐降低。涂层厚度约为30.4μm，涂层的物相组成主要为TiC相和沿TiC晶界分布的α-Fe相。而且，涂层致密、无裂纹和孔隙且与基体之间的界面呈现良好的冶金结合。第一步热处理过程中，TiC颗粒的形成机理主要是TiC晶粒的形核-生长；第二步热处理过程中，TiC颗粒的形成机理主要是由碳原子扩散进入到钛晶格中而形成的扩散型固态相变。TiC-Fe梯度涂层的形成机理是由碳浓度梯度所导致的TiC形核密度的改变。 (2)从涂层表面到基体，随着涂层厚度的增加，硬度从19.1GPa增加到31.7GPa，弹性模量从368.1GPa增加到464.4GPa。而且，TiC-Fe梯度涂层的柱状晶区、等轴晶区和大颗粒区的断裂韧性值分别为(3.5±0.15)MPa.m1/2、(1.9±0.14)MPa.m1/2和(3.1±0.21)MPa.m1/2。此外，涂层与基体之间呈现出良好的界面结合强度。由于TiC-Fe梯度涂层的原位内延生长以及涂层中高体积分数(＞90％)、高硬度的TiC和少量的高韧性α-Fe相的梯度分布，涂层呈现出高的硬度、高的弹性模量、高的韧性和优异的界面结合强度。 (3)在磨损载荷10N和20N下，TiC-Fe梯度涂层的富铁区和贫铁区的磨损率随TiC颗粒体积分数的增加而逐渐减小。当磨损载荷为20N时，富铁区的磨损率约是纯钛基体的14.3%，贫铁区的磨损率约是纯钛基体的5.6%。对于富铁区，由于少量的高韧性α-Fe相沿TiC颗粒晶界分布显著的改善了涂层的韧性，在高载荷磨损过程中只有少量的TiC颗粒破碎和剥落，所以富铁区的磨损机制主要是磨粒磨损及轻微的塑性变形；对于贫铁区，在高载荷磨损过程中致密的大块状TiC颗粒在正压力和摩擦力的作用下发生了部分开裂，且对磨件所产生的磨屑被粘附在磨损表面，所以贫铁区主要是以微裂纹、显微犁削和粘着磨损为主导的机制。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 碳化钛增强钛基表面复合涂层的制备方法

1.3 碳化钛颗粒的形成机理和形貌演变机制研究进展

1.4 碳化钛增强钛基表面复合涂层的力学性能研究进展

1.5 本课题的选题目的及意义

1.6本课题的主要研究内容及技术路线

1.6.1 研究内容

1.6.2 技术路线图

2 钛基表面TiC-Fe梯度涂层的制备工艺及测试分析方法

2.1 实验材料及制备工艺

2.1.1 材料准备

2.1.2 实验方法

2.2 实验设备及仪器

2.3 测试分析方法

2.3.1 物相分析

2.3.2 微观组织表征

2.3.3硬度、弹性模量和断裂韧性测试

2.3.4 界面结合强度测试

2.3.5 摩擦磨损实验测试

2.4 本章小结

3 钛基表面TiC-Fe梯度涂层的微观组织表征及形成机理分析

3.1 引言

3.2 TiC-Fe梯度涂层的微观组织表征

3.2.1 TiC-Fe梯度涂层截面的微观组织表征

3.2.2 TiC-Fe梯度涂层的表面微观组织表征

3.2.3 TiC-Fe梯度涂层的截面EBSD分析

3.2.4 TiC-Fe梯度涂层的截面TEM分析

3.3 TiC-Fe梯度涂层的形成机理分析

3.4本章小结

4 钛基表面TiC-Fe梯度涂层的断裂韧性及界面结合强度研究

4.1 引言

4.2 TiC-Fe梯度涂层截面的纳米压痕测试

4.2.1 TiC-Fe梯度涂层截面的硬度和弹性模量

4.2.2 TiC-Fe梯度涂层的断裂韧性

4.2.3 TiC-Fe梯度涂层的韧化机制

4.3 TiC-Fe梯度涂层的划痕测试

4.3.1 TiC-Fe梯度涂层的划痕形貌

4.3.2 TiC-Fe梯度涂层失效分析

4.4 本章小结

5 钛基表面TiC-Fe梯度涂层的摩擦磨损性能研究

5.1 引言

5.2 不同载荷下的摩擦磨损系数和磨损率

5.3 不同载荷下的磨损形貌

5.4 TiC-Fe梯度涂层的磨损机理

5.5本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果