织构化钛表面复合强化及其摩擦学行为研究

发布时间：2020-05-15 16:07

【摘要】：新型轻质结构材料对发展国防技术装备等领域具有重要意义。钛及其合金由于具有优异的综合性能,已在航天、航空、地质等领域得到普遍应用并被列为重点发展对象。随着国防技术装备的不断发展,对钛及其合金在复杂多变工作环境中的适应性要求更加苛刻。本论文针对钛抗磨性差、易黏着等特点,从钛表面结构设计出发,针对磨料、海水等传统表面涂层和润滑油无法起作用的工作环境,研究织构化钛复合强化表面的摩擦学行为和机理,以期研究结果能够为钛表面减摩抗磨设计提供新的思路。本论文选取工业纯钛TA2为研究对象,采用激光加工技术在钛表面制备点阵微织构,并配合表面渗氮和类金刚石(DLC)膜镀制技术,形成复合强化表面结构,研究其在磨料和海水条件下的摩擦学行为,采用数学模型和正交实验法研究微织构参数对减摩抗磨性能的影响机制。获得的结论及成果如下:(1)阐述了钛表面点阵微织构在磨料和海水条件下的摩擦磨损机理。研究表明,当磨料粒度小于点阵直径时,织构化钛表面能够获得更好的减摩和抗磨性能,而且点阵密度对减摩抗磨性能的影响大于点阵直径和点阵深度;此外,钛表面的微织构受到海水的腐蚀和对磨副的破坏,迅速发生磨损,削弱了其减摩耐磨的效果。(2)阐述了钛表面渗氮微织构在磨料和海水条件下的摩擦磨损机理。在磨料条件下,渗氮微织构表面的点阵密度对减摩抗磨性能的影响程度大于点阵直径和点阵深度,而海水条件下渗氮微织构表面的抗磨性与滑动方向上微织构的总体积有关,在本实验设计的点阵参数条件下,计算所得总体积越大,抗磨性越好。(3)阐述了钛表面DLC复合微织构在磨料和海水条件下的摩擦磨损机理。在磨料条件下,DLC复合微织构先从点阵边缘开始破坏,故单位面积上点阵边缘密度越大,DLC复合微织构钛的抗磨性越差;而在海水条件下,DLC复合微织构能够维持摩擦副往复运动的前750个周期,随后被磨损掉。
【图文】：

武器装备,工作环境,磨料

例如：人类探索外太空的脚步一直没有停止，我国从探月工程一期到三期的布局，逐步实现飞船从绕月飞行到月球表面着陆的系列化方案，这要求我们必须掌握飞船对月表面工作环境的适应性，特别是解决月壤磨料环境下钛质结构材料如何更好生存的问题另外，美国在“下一代空中主宰”项目中提出的第六代战机，要求具有持久性、生力、毁伤性、连通性、互操作和经济可承受性等关键能力，还要求飞机不再纠结代际划分转向使用“穿透性制空”，能够跨空、天、网、电，并能适应地面/水面等多种复杂环境研究飞机上钛质结构件在磨料/海水的交变环境下的耐磨持久性意义重大。此外，随着地球科学研究空间不断拓展，并已逐渐形成“上天、入地、下海、登极完整的研究体系，特别是针对超过 10000 米的深部地质钻探，必须使用轻质材料的钻杆而目前国内使用最多的是铝合金钻杆，钛的性能要明显优于铝，但对于钛质钻杆在地层二氧化硅磨料或地下水作用下的强度和耐磨性的掌握还不够，需要加快步伐进行研究。

摩擦学行为,钛表面,磨料,海水

点所需的力增大，表现为摩擦系数的增大；同时，磨料从的损失，表现为磨损量的增大。而在海水条件下，海水粘学性能差的主要原因，具体为粘度低导致摩擦副之间难以形成良好的边界润滑膜，因而很容易造成摩擦副表面处腐蚀性强会引起材料及涂层或粘结层中特定相得选择性析电化学腐蚀，进而大大加速了磨损的进程和速度。零件表面的摩擦磨损性能的方法主要有两种，，一是在摩擦表面镀制减摩耐磨涂层。但在磨料或海水条件下工作的摩层都无法抵抗磨料或海水的破坏，进而从摩擦副表面脱离无法施展，这促使我们从机械本体的设计来考虑减摩抗磨钛合金用量稳步增长的现状，磨料和海水条件下装备的失特别是对于不断崛起的钛来说，寻找磨料和海水条件下钛行。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG146.23

【参考文献】