TC4钛合金表面激光气体氮化工艺及性能研究

发布时间：2020-04-11 03:35

【摘要】：钛合金具有优良的综合性能在航空航天、能源动力、海洋工程、武器装备及生物医学等领域得到广泛应用。现代高端装备的使用工况对材料性能提出了更高的要求,钛合金未来应用领域更为广阔,例如在各类高性能叶片如航空发动机、燃气轮机压气机的部分中温叶片基体,汽轮机制造领域的新型钛合金末级大型叶片中发挥着极其重要的作用,但服役环境对材料的耐磨性提出了较高要求。由于钛合金基体的耐磨性欠佳,某些场合下无法满足高端产品的服役工况。有效提高耐磨性是钛合金关键零部件应用于极限工况的重要技术手段,对发挥钛合金的优点及扩展应用领域具有重要的工程应用价值。激光气体氮化是当前适用于大型异形零部件最灵活、经济和有效的表面改性手段之一,具有变形小、制备周期短、组织可控、实现深层氮化、基材与氮化层的冶金结合强度高等优势。本论文以常规生产条件下实现大型钛合金叶片表面深层氮化技术需求为目标,针对大型复杂异形零部件表面氮化过程中存在的共性难题进行了相关研究。首先采用半导体激光器对钛合金平板表面进行激光气体氮化,重点研究了激光气体氮化的工艺特性。明晰工艺参数对氮化层横截面形貌、几何尺寸、氮化层表面成形特征、表面粗糙度、裂纹、组织、硬度、氮化层物相及耐磨性的影响规律,验证了激光气体氮化工艺应用于此类复杂零部件的可行性,获得了最优工艺区间。但半导体激光器光轴固定,激光器姿态无法随三维曲面曲率变化而改变,且曲率变化大于激光器焦距的调节灵敏度,表面氮化复杂异性零部件的实施难度较大。为了适应实际生产工况,设计了针对大型复杂异形零部件的光纤激光氮化系统,基于机器人控制实现了大型叶片表面氮化的工艺过程。通过上述内容研究获得了以下结论:采用半导体激光器表面氮化钛合金平板的研究结果表明:(1)纯氮气环境中激光气体氮化随基材运动速度减小氮化层横截面依次出现半球形、指状、多指状及W形四种典型形貌,这四种形貌的对流线均很明显,对流主导激光气体氮化的氮传输过程;稀释氮环境中氮化层横截面形貌与纯氮气环境中有较大差别,随氮氩比例减小对流线逐渐消失,扩散主导氮传输过程。但氮氩比例低至5%时,熔池流动行为发生突变,对流作用增强并主导氮传输过程,氮化层截面形貌转变为半球形形貌。总体而言,无论何种氮化气氛,理想的氮化层横截面形貌为半球形形貌。(2)在纯氮气环境中激光气体氮化时,随激光功率增大或运动速度与焦距两者中的一个减小,氮化层熔深和熔宽均呈增大趋势,成形系数减小;随氮气流量增大,氮化层熔深和熔宽先减小然后趋于定值,成形系数呈增大趋势;喷嘴距对氮化层几何尺寸的影响总体不大,但对表面成形质量影响很大。在稀释气体中氮氩比例在100%-18%之间减小时,氮化层熔宽基本不变,熔深先增大后减小,但氮氩比例低至5%时熔深反而增大。(3)纯氮气环境中随激光功率或气体流量增大以及运动速度或焦距减小,氮化层表面颜色由暗变亮,但热输入过大时氮化层表面变成银白色;稀释氮环境中随氮氩比例减小,氮化层表面颜色先由明亮的金黄色逐渐变暗且颜色加深后逐渐变为银白色。纯氮气环境中热输入较大时氮化层出现光滑区和粗糙区,而热输入不足时氮化层表面变粗糙;稀释氮环境中氮化层均出现光滑区和粗糙区,随氮氩比例减小光滑区出现波纹状结构,但当氮氩比例低至5%时,氮化层表面变光滑。(4)纯氮气环境中制备的单道氮化层表面产生纵向和横向裂纹,氮化层横截面上产生贯穿氮化层终止于基材的纵向裂纹,而多道搭接氮化层中不可避免的出现网状交织裂纹;稀释氮环境中随氮氩比例减小,单道和多道搭接氮化层中的裂纹减少,当氮氩比例低至5%时,由于氮化层硬度降低且氮化层组织由马氏体组成,能够完全消除单道和搭接氮化层中的裂纹。(5)在纯氮气和稀释氮环境中进行激光气体氮化,氮化层与基材均实现良好的冶金结合,氮化层组织由树枝晶和针状马氏体组成。随氮氩比例减小,氮化层中树枝晶的含量逐渐减小,针状马氏体逐渐增多,当氮氩比例降至5%时,氮化层由针状马氏体组成。纯氮气环境中氮化层硬度及氮化层由表及里的硬度梯度最大,随氮氩比例减小氮化层硬度及硬度梯度减小,由于工艺参数影响树枝晶的面积分数、树枝晶形貌、分布、尺寸以及物相从而影响氮化层硬度。(6)当激光功率为1400 W,板材运动速度在3-20mm/s范围,焦距为280-285 mm,气体流量为25-30 L/min,喷嘴距为3-5 mm,氮氩比例为5%,搭接率为38%时可获得层深大于500 um,表面硬度大于600 HV,表面成形良好,无裂纹的搭接氮化层,满足叶片技术要求。(7)激光气体氮化钛合金可使其耐磨性较基材大幅提高。对比了半导体激光器和光纤激光器的工艺特性及氮化层性能,结果表明半导体激光器的最优工艺规范也适用于光纤激光器。针对大型钛合金叶片自主设计了叶片定位夹具,并通过优化工艺,编程机器人,规划氮化路径,采用光纤激光器基于机器人控制实现了大型钛合金叶片样片的表面氮化。
【图文】：

激光气体,氮化层

图 1.1 激光气体氮化的送气装置[7](a)侧向喷嘴 (b)同轴喷嘴 (c)可控气体反应腔室 (d)环隙喷嘴(2)激光气体氮化的物理冶金过程、熔深、组织形成、演化规律及物相的研熔融的钛合金熔池中快速溶解，在温度梯度和对流作用下使得熔池中氮速传输形成氮化物。文献[11,57,58]详细研究了 Ti-6Al-4V 合金激光气体氮化显微组织和相特征，结果表明表面高氮区晶体尺寸较大，并且枝晶主轴与表面垂直，随深度增加，枝状晶尺寸逐渐变小直至近热影响区生成了体结构，并且由于渗氮层内冷却速率不同，氮化层枝晶沿任意方向生长乱无章。氮化层主要由α -Ti 和 TiNx组成，x 值反映了氮在基体中的扩散状度变化，文献[11,50,57]证明氮化层最表层二维形式生长的薄层是 TiN。由于过程是一不平衡的过程，因此还生成 hcp TiN0.3，，tet Ti2N 等。氮化物的以及熔深与激光工艺参数、进给氮气浓度、氮气流速、激光脉冲能量及有关[59,60]。Zhecheva A 等[61]提出了激光氮化纯钛过程中氮化层形成和生物理模型，该模型以反应扩散为主，且应用于低于β转变温度的氮化过程1.2 所示。

氮化层,物相,激光

图 1.2 激光氮化纯钛过程中氮化层物相分布[61化层硬度、耐磨耐蚀等性能的评价，裂纹献[52,62-67]表明激光气体氮化可提高钛及氮气流量等影响 TiN 数量和 TiN 层厚度，层硬度[51,57,67,68]。Yue T M 等[69]将激光氮l 溶液中进行腐蚀实验，结果表明电位极[54,70]将激光氮化的纯钛和 Ti-6Al-4V 合金实验，结果表明形成的氮化层较纯钛及将激光氮化后的钛合金试样在 700 ℃下氧化能力明显提高[69]。化过程中产生的裂纹有三种方法来减少73]和稀释氮环境中进行氮化[57]。预热预防高了塑性变形释放应力的可能性。稀释的反应速度及减小了氮化钛的数量，但s 等人[33]研究指出脉冲式激光可通过阶梯
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG178;TG146.23

【参考文献】