钛合金表面离子束辅助沉积膜层及其高温微动疲劳行为研究

摘要

本文针对钛合金高温FF损伤控制的难题，采用离子束辅助沉积技术在钛合金表面制作耐磨层，研究膜层制备工艺，并对膜层的基本性能和摩擦学行为进行评价。在此基础上，探讨离子束辅助沉积膜层及其与喷丸形变强化(SP)复合处理对钛合金高温FF行为的影响规律和机制，拟为钛合金高温FF损伤控制的新途径提供依据。主要研究工作和取得的研究结论如下： (1)研究了离子束辅助沉积TiN/Ti、0Cr18Ni9、NiCr20、Al膜层工艺，获得了膜基结合强度高、膜层致密性好、膜层强韧性优的TiN/Ti、0Cr18Ni9、NiCr20膜层，以及具有良好减摩润滑作用的Al软质膜层。硬质膜层TIN/Ti既具有良好的减摩效果，同时也有很高的抗磨作用，使钛合金基材耐磨性能显著提高。0Cr18Ni9和NiCr20膜层硬度明显高于整体材料，虽无减摩效果，但对钛合金基材耐磨性能有一定的提高。 (2)研究了离子束辅助沉积TiN/Ti、0Cr18Ni9、NiCr20、Al膜层对Ti811钛合金FF性能的影响。发现硬质膜层TiN/Ti显著提高了钛合金350℃温度下的微动疲劳寿命，原因是该膜层有足够高的强韧性和Ti颗粒在高温下的减摩润滑性能；减摩润滑作用显著的软质Al膜层也大幅度地提高钛合金的FF寿命。0Cr18Ni9和NiCr20膜层则对Ti811钛合金FF性能无显著影响。 (3)研究了喷丸强化与离子束辅助沉积TiN/Ti、0Cr18Ni9、NiCr20膜层复合处理(SP在先)对钛合金FF行为的影响。结果表明，复合处理试样的FF寿命虽然均高于BM状态的试样，但是却未实现联合提高钛合金FF抗力的目的，主要原因是，先喷丸强化处理，后进行离子束增强沉积膜层，后处理显著降低了SP引入的表面残余压应力，并且突显了SP表面损伤的不利因素；同时，SP表面处理对膜层的结合强度、韧性、膜基变形协调能力等产生了不利影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1钛合金在航空工业中的应用及存在的问题

1.1.2本文研究的背景

1.2.1微动疲劳现象

1.2.2微动疲劳机理及其研究进展

1.3高温下钛合金微动疲劳的特点及研究进展

1.4钛合金微动疲劳影响因素及其控制研究现状

1.4.1钛合金微动疲劳的主要影响因素

1.4.2钛合金微动疲劳控制方法

1.4.3表面处理对钛合金微动疲劳行为影响的研究现状

1.5钛合金表面真空沉积技术研究进展

1.5.1真空表面沉积技术及其特点

1.5.2钛合金表面真空沉积技术研究现状

1.6本文的主要工作

第二章试验研究方法

2.1试验材料

2.1.1试验材料化学成分

2.1.2热处理制度与力学性能

2.2表面处理技术

2.2.1离子束辅助沉积(IBAD)

2.2.2喷丸形变强化处理

2.3表面处理层分析与性能测试方法

2.3.1组织结构与成分分布分析

2.3.2沉积膜层结合强度与韧性测试

2.3.3硬度测试方法

2.3.4摩擦磨损性能测试方法

2.3.5喷丸层残余应力测定

2.4高温下钛合金FF试验方法

2.4.1设备和装置

2.4.2试样制备

2.4.3相关参数的测定与分析方法

2.4.4试验步骤

第三章钛合金表面真空沉积膜层基本性能

3.1膜层的组织与成分分布

3.1.1膜层的形貌

3.1.2膜层的成分和物相

3.2膜基结合强度

3.2.1划痕法测试结果

3.2.2压入法测试结果

3.2.3膜层结合强度讨论

3.3膜层的硬度和韧性

3.3.1膜层的硬度

3.3.2膜层的韧性

3.4喷丸层的残余应力

3.5摩擦磨损性能

3.6 小结

第四章表面处理对钛合金高温FF行为的影响

4.1 350℃下Ti811钛合金的FF行为

4.2 Al膜层对钛合金FF行为的影响

4.3 TiN/Ti膜层对钛合金FF行为的影响

4.4 0Cr18Ni9膜层对钛合金FF行为的影响

4.5 NiCr20膜层对钛合金FF行为的影响

4.6IBAD膜层与喷丸复合对钛合金FF行为的影响

4.6.1喷丸对高温下钛合金FF行为的影响

4.6.2 TiN/Ti膜层与喷丸复合对钛合金FF抗力的影响

4.6.3 0Cr18Ni9膜层与喷丸复合对钛合金FF抗力的影响

4.6.4 NiCr20膜层与喷丸复合对钛合金FF抗力的影响

4.7小结

第五章主要结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表和参加科研情况说明

致谢

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