TC4钛合金表面硼碳共渗及其耐摩擦磨损性能研究

发布时间：2020-08-26 04:13

【摘要】：TC4钛合金是一种α+β钛合金,其比强度高、密度小、热强度高被广泛应用于航空、航天、化工、船舶等领域。然而其硬度低、耐磨性差限制了它进一步的使用。在众多的表面处理技术中,固体渗硼法因其形成的渗层可以大幅度的提升TC4的硬度和耐磨性且操作简单而被广泛应用。但是现有的单一固体渗硼法得到的渗层都存在韧性低、脆性大等缺陷,为此本文采用以硼为基的硼碳共渗,以期在提升TC4钛合金表面硬度和耐磨性的同时改善渗层的脆韧性。自制渗剂采用B_4C和无水硼砂作为供硼碳剂,稀土氧化镧做催化剂,SiC和石墨作为填充剂,在950°C保温12h,得到硼碳共渗层。采用SEM、EDS及XRD等来分析渗层的形貌、成分和相组成,检测其粗糙度、硬度和润湿性,并进行了划痕实验和纳米压痕实验。最后采用球-盘磨损实验,研究渗层在不同载荷和不同摩擦副下的摩擦磨损性能。结果表明:(1)硼碳共渗过后,TC4钛合金表面得到了TiB_2和TiB双相结构,渗层总厚度约为17μm,最外层为TiB_2,厚度约为5μm,硬度约为3001HV;次表层为TiB相纤维状结构,厚度约为12μm,硬度约为1800HV。在TiB层与TC4交界处有弥散分布的TiC相,由于渗剂中C含量较少未能形成有效的TiC过渡层。渗层整体硬度梯度较陡,压痕形貌较为完整,脆性为3级。(2)为了得到有效的TiC过渡层,降低渗层脆性,在硼碳共渗前对TC4进行固体渗碳预处理。预处理后TC4表面形成了约为11μm的TiC层,最外层凹凸不平并有富C原子的沉积层。(3)随后进行硼碳共渗,TC4钛合金表面得到了TiB_2、TiB和TiC三相结构,厚度约为34μm。最外层以TiB_2相为主,厚度约为15μm,硬度约为2656HV;次表层以TiB为主,厚度约为6μm,硬度约为1500HV;最内层以TiC相为主,该层较预处理前有所增长,厚度约为13μm,硬度约为910HV。渗层整体性能良好,表面粗糙度Ra约为0.316μm,水接触角约为60.88°;硬度梯度变缓,压痕形貌良好,脆性为1级。(4)球-盘磨损实验表明,在不同载荷和摩擦副条件下,硼碳共渗层可以有效的提高TC4钛合金的耐摩擦磨损性能。载荷约大、摩擦副硬度约高,预处理对硼碳渗层耐摩擦磨损性能改善越明显。相比于基体,渗层的摩擦系数、磨损面积显著下降,且抗磨粒磨损性能增幅较大。(5)渗C预处理后可以提高B原子的扩散速度,并抑制TiB相的生长,形成的TiC过渡层可以有效的改善渗层的脆韧性、提高耐摩擦磨损性能。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG156.82
【图文】：

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表 1.2 TC4 钛合金机械性能σ0.2/MPa σb/MPa δ/％825 895 10 应用开始，钛及其钛合金在各个领域的应用发展迅速和船舶等领域也获得了广泛应用[7]。具体有以下含有 6％的 α 稳定元素 Al 及 4％的 β 稳定元素 V 高，综合力学性能好，适用于制造飞机行各种零来我国钛合金在航空上的应用取得了巨大的进步，%，在商用客机 C919 上钛合金使用含量高达 9.3%

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图 1.2 宇宙飞船液压泵良好的耐蚀性和抗腐蚀能力，可以用作氯碱工业中的时在油气开采行业中，采用 TC4 作为重要的挤压管材程管道易腐蚀问题[13-14]。

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图 1.2 宇宙飞船液压泵业其良好的耐蚀性和抗腐蚀能力，可以用作氯碱工业中的抗同时在油气开采行业中，采用 TC4 作为重要的挤压管材合过程管道易腐蚀问题[13-14]。

【参考文献】