激光冲击微造型改善钛合金表面摩擦性能机理研究

发布时间：2020-10-25 19:09

　　 钛合金Ti13Nb13Zr具有良好的耐腐蚀性、生物相容性、弹性模量低等优点,是人体骨骼替代的首选材料,然而耐磨性差,严重制约着钛合金应用。本文通过激光冲击技术带来的变形效应和强化效应改善材料表面的摩擦磨损性能。主要工作包括:(1)基于激光单点冲击实验,探索激光冲击后钛合金力学性能的提高与耐磨性能的关系。钛合金激光冲击强化后表层的纳米硬度得到显著的提升,与基体硬度相比,最大增幅为48.2%;激光冲击后钛合金在深度方向上出现一定深度的晶粒细化层,在影响层内出现大量网篮状组织和明显的晶粒细化,最大影响层深度为88.36μm。激光冲击数值模拟结果显示钛合金经过激光冲击强化后表层会产生较大的残余压应力。(2)基于激光多点冲击实验和干摩擦磨损实验,探讨分析了钛合金微造型表面摩擦磨损机理。结果显示:与未造型表面相比,微造型表面具有更小的摩擦系数和磨损量,分别减小0.015和0.8 mg;磨痕深度和宽度分别降低了19.7%和8.6%。对磨痕表面SEM分析得出微造型表面的磨损机制主要为黏着磨损、磨粒磨损以及疲劳剥落磨损;激光冲击微造型表面的磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损,磨损程度较轻。(3)基于Box-benhken实验设计进行激光多点冲击微造型表面摩擦系数、磨损量拟合分析。研究结果显示:合适的微造型能够改善钛合金表面干摩擦性能。激光冲击微造型表面的摩擦系数和磨损量随着激光能量的增大呈现出先增大后减小的变化规律;摩擦系数和磨损量随着凹坑位错的增大逐渐增大;随着凹坑间距的增大,摩擦系数和磨损量先增大后减小,在间距为1.2 mm左右时取得最小值;对响应值优化分析得出摩擦系数和磨损量最小时所对应的工艺参数为(1.2 J,1.6 mm,0.4 mm)。(4)通过改变转速、载荷、磨损时间,探究工作条件对微造型表面摩擦性能的影响。研究结果显示:激光冲击微造型表面摩擦系数和磨损量随着转速增大先减小后增大,当转速为100 r/min取得最小值;随着载荷和时间的增大而增大。激光冲击微造型表面的磨痕深度和宽度随着转速、载荷及时间的增大而增大。(5)基于干摩擦磨损实验和润滑摩擦磨损实验,探究润滑效应对激光冲击微造型表面摩擦性能的影响。研究结果显示:在润滑条件下激光冲击微造型表面具有更小的摩擦系数和磨损量,分别降低0.122和0.7 mg;微造型表面的磨痕深度降低幅度最明显,降低了3.3倍左右。润滑条件下的微造型试样的磨损机制主要为磨粒磨损。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.23;TG665
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 表面微造型技术改善摩擦性能研究现状
    1.3 激光冲击技术改善摩擦性能研究现状
        1.3.1 激光冲击强化提高耐磨性能
        1.3.2 激光冲击微造型改善表面摩擦性能
    1.4 研究内容与研究方法
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 研究思路与方法
        1.4.3 技术路线
第2章 激光冲击Ti13Nb13Zr响应与耐磨性能
    2.1 单点激光冲击实验
        2.1.1 试样准备
        2.1.2 激光冲击微造型试验
    2.2 工艺参数对Ti13Nb13Zr钛合金表面变形影响
        2.2.1 凹坑直径
        2.2.2 凹坑深度
    2.3 激光冲击提高耐磨性能
        2.3.1 激光冲击对纳米硬度的影响
        2.3.2 激光冲击对微观组织的影响
        2.3.3 激光冲击对表层残余应力的影响
            2.3.3.1 残余应力形成机制
            2.3.3.2 残余应力模拟结果分析
            2.3.3.3 残余压应力对耐磨性能的影响
    2.4 本章小结
第3章 干摩擦条件下激光冲击微造型改善医用钛合金摩擦性能与机理
    3.1 多点激光冲击微造型实验
    3.2 激光冲击钛合金微造型表面摩擦磨损机理
        3.2.1 摩擦系数、磨损量分析
        3.2.2 磨痕宽度、深度分析
        3.2.3 摩擦磨损机理
    3.3 激光冲击微造型表面摩擦性能分析
        3.3.1 工艺参数对表面摩擦性能影响
            3.3.1.1 激光冲击微造型表面干摩擦实验
            3.3.1.2 工艺参数对摩擦系数的影响
            3.3.1.3 工艺参数对磨损量的影响
            3.3.1.4 工艺参数对表面干摩擦性能影响机制
        3.3.2 工件条件对微造型表面干摩擦性能的影响
            3.3.2.1 摩擦系数
            3.3.2.2 磨损量
            3.3.2.3 磨痕宽度、深度
    3.4 本章小结
第4章 润滑条件下激光冲击微造型表面摩擦磨损性能与机理
    4.1 激光冲击微造型表面润滑摩擦实验
    4.2 微造型表面流体动压形成机理
    4.3 润滑对微造型表面摩擦性能的影响
        4.3.1 润滑对微造型表面摩擦系数的影响
        4.3.2 润滑对微造型表面磨损量的影响
    4.4 微造型表面磨痕宽度、深度分析
    4.5 润滑条件下激光冲击微造型表面摩擦磨损机理
    4.6 本章小结
第5章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间所取得的研究成果
致谢
详细摘要

【参考文献】

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本文编号：2855840