基于高能微弧火花技术的钛合金本体修复涂层制备研究

摘要

钛合金损伤零部件再制造修复研究具有显著的经济价值和环境保护价值，是国家推进再制造产业发展的重要工作之一。但目前钛合金修复研究存在的难题主要有两方面，一是钛合金本身性质活泼，导热性较差;钛合金弹性模量小，易产生残余应力与变形。二是目前还缺乏有效的钛合金修复手段。针对以上两点，本论文设计了高能微弧火花沉积及气氛保护等配套设备对钛合金进行本体修复研究。设计正交试验法进行工艺参数优化，使用SEM、OM、XRD、显微硬度计、磨损试验机等系统对其形貌、组织及性能进行分析，并对制备过程中的微弧火花沉积机制进行讨论，最终结合工程实际进行模拟修复。主要研究内容和所获结论如下:
　　(1)首次采用高能微弧火花沉积技术制备TA2本体修复性涂层，采用数学统计模型优化试验工艺参数。结果表明:在氧含量为0.04～0.06％的惰性气氛保护下，电极直径1.5mm，C6档位将获得更好的制备效果。Ti在高温下的高活泼性决定其气氛保护要求高;而电极尖端放电频率的不同导致其最终的质量转移不同。
　　(2)TA2与TC4、304的本体涂层制备进行对比研究。结果显示:3种材料的质量转移均与沉积时间呈线性正相关。区别在于:TC4的质量转移系数比TA2高10％左右;而304的质量转移在数值上比TA2高10倍，且其质量转移系数大于90％，约为TA2的1.6倍。认为，不同材料质量转移所需的能量大小是其质量转移多少的主要原因。
　　(3)基于微弧火花单脉冲放电沉积进行微弧火花沉积机制研究。分析认为:微弧火花沉积过程是通过介质击穿、放电通道的形成及扩散、能量转换与传递、电极材料的抛出及熔滴过渡等几个过程所组成。而金属表面张力、熔滴的受力大小、受力方式和放电形式的不同将导致最终单脉冲沉积斑形貌特征的不同。
　　(4)研究高能微弧火花沉积制备TA2本体修复涂层的显微硬度及耐磨性等性能。结果显示:其涂层的平均显微硬度为340HV005，约为基体的1.6倍;涂层的耐磨性稍比基体好，磨损量仅为基体的2/3。成功对TA2表面微坑及刮痕进行了有效地模拟修复。
　　本论文对微弧火花沉积制备TA2本体修复涂层进行了系统性的基础研究，后续可通过自动化、智能化设备并结合其他加工技术进一步提高钛合金的本体修复效果。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 钛及钛合金的特性及其应用

1．3 钛合金零部件的损伤失效及修复

1．4 微弧火花沉积技术

1．4．1 微弧火花沉积技术的原理、特点及应用

1．4．2 微弧火花沉积技术的钛合金强化涂层制备研究前沿

1．5 研究目的、内容及意义

1．5．1 研究目的与研究内容

1．5．2 研究意义

1．6 论文结构

2．1 实验目的

2．2 实验设备设计开发及制作

2．2．1 气氛保护箱的设计及制作

2．2．2 微弧火花沉积工作枪的设计及制作

2．3 实验工艺与流程

2．3．1 正交实验法

2．3．2 验证性实验

2．4 组织与性能分析

2．4．1 OM和SEM观察

2．4．2 XRD分析

2．4．3 显微硬度分析

2．4．4 磨损性能分析

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 TA2／TA2本体涂层制备的工艺研究

3．2．1 氧含量0．4％～0．6％下沉积时间对本体涂层制备的影响

3．2．2 氧含量0．4％～0．6％下不同直径及功率对本体涂层制备的影响

3．2．3 氧含量0．04％～0．06％下不同放电模式对本体涂层制备的影响

3．3 统计模型优化及预测

3．3．1 统计模型的建立

3．3．2 基于统计模型的模拟结果

3．3．3 讨论及分析

3．3．4 统计模型优化实验验证

3．4 TA2本体涂层形貌

3．4．1 涂层的表面形貌

3．4．2 涂层的相组成

3．4．3 涂层的横截面特征

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 TC4／TA2涂层制备研究

4．2．1 TC4／TA2的质量转移规律

4．2．2 表面形貌特征

4．3 304／304本体涂层制备研究

4．3．1 304／304本体涂层的质量转移规律

4．3．2 柱状表面微结构

4．3．3 本体均匀涂层

4．4 对比分析及讨论

4．4．1 TA2与TC4的对比

4．4．2 TA2与304的对比

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 单脉冲ANSYS模拟及实验

5．2．1 微弧火花单脉冲沉积温度场模拟

5．2．2 单脉冲温度场的仿真模拟结果

5．2．3 单脉冲放电沉积实验

5．3 微弧火花沉积机制探讨

5．3．1 介质击穿

5．3．2 放电通道的形成及扩散

5．3．3 能量转换与传递

5．3．4 电极材料的抛出及熔滴过渡

5．4 基于单脉冲沉积斑的TA2与304的对比

5．5 本章小结

6．1 引言

6．2 显微硬度

6．3 磨损性能

6．4 修复实例

6．4．1 模拟微坑的TA2修复实例

6．4．2 模拟刮痕的TA2修复实例

6．5 本章小结

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果