TC4合金激光气体合金化工艺及传输特性
发布时间：2021-01-27 09:57
钛及其合金具有高的比强度、好的抗蚀能力以及生物兼容性好等优良特性,因此,被广泛地应用到航空航天、医学及能源工程等领域。例如新一代汽轮机叶片采用TC4钛合金制造而成,但是会存在硬度低、摩擦因数高和耐磨性较差等问题。为了满足实际的应用,需要对TC4钛合金进行表面改性强化处理,提高硬度及耐磨性。而传统表面强化处理方法（例如高温渗氮、离子注入技术、物理气相沉积以及化学气相沉积等）具有生产效率低下、对基材性能产生影响、改性层与基材结合不牢固以及改性层深度太浅等一系列的问题和不足,而且这些处理方法不适用于对大型异形钛合金工件的处理。因此,本文选用激光气体氮化新型工艺对TC4合金进行表面强化处理。激光气体氮化具有渗氮层与基材呈化学冶金结合、可实现局部处理和适用于对大型异形工件处理等优点。对于诸如汽轮机叶片这类大型钛合金工件的激光气体氮化而言,希望的渗氮层应该具有硬度高、耐磨性高、层深大以及表面质量好等特性。国内外学者大多对激光气体氮化的工艺优化、改性层组织性能等进行研究,理论研究较少。而该过程中激光热源与气体相互作用产生的光致电离行为、激光熔池中物质的流动特征均会对氮化物的形成与分布产生影响,进而影...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
阳极微弧碳氮化原理图[24]
硕士学位论文5图1.2阳极微弧碳氮化原理图[24]3、钛合金离子氮化技术钛合金离子氮化技术主要具有氮化速度快、氮化层组织可控以及工件变形小等特点[27,28]。根据近几年研究人员的努力，离子氮化技术成功发展出来离子注入技术、反应等离子喷涂以及脉冲高能量密度等离子体氮化技术等工艺方法。离子注入技术是指把掺杂剂的离子引入基材中的一种材料表面改性处理方法。该过程是在真空系统中进行的，用经过加速的且具有特定功能的离子注入到固体材料的表面层，从而在所选择离子注入的区域形成一个具有特殊性质的表面改性层。离子注入系统如图1.3所示。图1.3离子注入系统图[27]离子注入技术的典型特征是:①纯净掺杂，因为整个过程是在真空条件下进行，并且借助高分辨率的质量分析器，使离子的纯净度非常高；②注入的离子浓度不受平衡固溶度的限制，且理论上也可以掺杂各种想要掺杂的元素；③由于对束流和加速电压进行精确地控制，因此可以对注入离子的浓度和深度分布进行精确设置；④衬底温度可自由选择，可以根据需要自由选择在低温、室温或者高温环境进行离子注入；⑤大面积均匀注入，通过束流扫描装置保证掺杂离子的均匀性；⑥离子注入技术一个最大不足是在于其获得的改性层层深较浅（一般在1um以内），对于某些需要大层深的工件不适用[29]。
表面改性处理，对表面处理后得到的钛合金试样进行了表面成分的分析。离子注入后，试样的颜色表现为淡金黄色，经过XRD衍射分析和EDS能谱分析，表明经离子注入后的试样表面形成含氮化钛的改性层，其主要化学成分为TiN和Ti4N2.33，他们的研究证明了利用氮等离子浸没注入技术处理TC4钛合金生成氮化钛改性层的可能性。反应等离子喷涂技术是将等离子喷涂和自蔓延合成技术相结合的一种新工艺，发挥两种工艺各自的优点。该工艺具有沉积速度快，简单易行的优点，可制备最大厚度达300um的TiN涂层。反应等离子喷涂技术的工作原理如图1.4所示[31]，在喷涂过程中，钛粉体在等离子焰流作用下发生燃烧反应，部分钛粉体可以气化，形成尺寸极小的Ti颗粒，与经加速器送入的氮气发生化学反应，形成TiN液滴。在气体和等离子焰流的共同作用下，TiN液滴高速飞行到钛合金基材表面，随后冷却形成涂层。整个过程用时极短，易发生淬火效应．TiN晶核来不及长大，反应最终得到晶粒细小的涂层。图1.4反应等离子喷涂示意图[31]目前有关反应等离子喷涂TiN涂层的工作，多集中在制备工艺及耐磨损性能的研究上，关于涂层显微硬度、韧性的研究鲜有。因为样品制备存在困难，目前在实际工程上该技术还未得到应用。脉冲高能量密度等离子体技术具有激光束和电子束处理的优点，能把不同元素注入到材料表面。该技术具有表面溅射、离子注人、冲击波和强淬火效应等综合效应，具有沉积膜层的温度低、沉积效率高、能量利用率高等优点，制备的膜层薄膜结构均匀、晶粒细小，膜与基体间有较宽的过渡层，硬度高、耐磨损、膜与基体结合力良好。该种技术的基本原理如图1.5所示[14]，在钛合金基材表面快速打入高能量密度等离子体，基材表面被作用区域出现局部快速熔化，紧接着发生快?
【参考文献】：
期刊论文
[1]α型钛合金离子渗氮工艺[J]. 王琳,孙枫,王赟. 金属热处理. 2018(12)
[2]Ti6Al4V合金表面渗氮层的组织、耐摩擦和耐腐蚀性能[J]. 董敏鹏,吴国东,李金龙,马付良,王志军. 材料热处理学报. 2018(10)
[3]TC4钛合金的离子渗氮工艺[J]. 王琳,孙枫,王赟,佟小军. 金属热处理. 2018(09)
[4]TC21钛合金液相等离子体法制备碳氮渗层[J]. Rabin Basnet,张吴晖,闫鹏庆,杨凯,卢文壮. 机械制造与自动化. 2017(06)
[5]基于Fluent的钛合金激光氮化机理及数值模拟[J]. 赵辉,许京荆,陈志磊,张永彬. 材料科学与工程学报. 2016(06)
[6]钛合金液相等离子碳氮共渗的流场分析[J]. 冯森,卢文壮,左杨平,刘森,闫鹏庆,潘韩飞. 机械科学与技术. 2016(09)
[7]TC4钛合金表面低压渗氮层的显微组织与耐磨性能[J]. 杨闯,刘静,马亚芹,洪流,王华. 机械工程材料. 2016(06)
[8]钛合金表面氮化技术研究进展[J]. 刘鹏,刘晓鹤. 材料开发与应用. 2015(06)
[9]钛合金表面氮化钛改性层制备的研究进展[J]. 耿芃,杨闯. 铸造技术. 2015(09)
[10]激光氮化原位直接合成涂层研究进展[J]. 唐普洪,毛杰,丰崇友,廖艳. 热加工工艺. 2015(16)
博士论文
[1]负压激光焊接过程蒸气羽烟及熔池行为研究[D]. 罗燕.上海交通大学 2015
[2]钛合金表面氮化层激光辅助制备及其力学性能研究[D]. 曹丽琴.华东理工大学 2010
[3]钛表面机械强化及其激光合金化研究[D]. 张建斌.兰州理工大学 2007
硕士论文
[1]TC4钛合金表面氮氧共渗及其摩擦行为研究[D]. 胡林泉.南京航空航天大学 2019
[2]氮气含量对Ti-6Al-4V合金激光气体氮化层裂纹的影响[D]. 卢芳.浙江工业大学 2011
本文编号：3002858
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
阳极微弧碳氮化原理图[24]
硕士学位论文5图1.2阳极微弧碳氮化原理图[24]3、钛合金离子氮化技术钛合金离子氮化技术主要具有氮化速度快、氮化层组织可控以及工件变形小等特点[27,28]。根据近几年研究人员的努力，离子氮化技术成功发展出来离子注入技术、反应等离子喷涂以及脉冲高能量密度等离子体氮化技术等工艺方法。离子注入技术是指把掺杂剂的离子引入基材中的一种材料表面改性处理方法。该过程是在真空系统中进行的，用经过加速的且具有特定功能的离子注入到固体材料的表面层，从而在所选择离子注入的区域形成一个具有特殊性质的表面改性层。离子注入系统如图1.3所示。图1.3离子注入系统图[27]离子注入技术的典型特征是:①纯净掺杂，因为整个过程是在真空条件下进行，并且借助高分辨率的质量分析器，使离子的纯净度非常高；②注入的离子浓度不受平衡固溶度的限制，且理论上也可以掺杂各种想要掺杂的元素；③由于对束流和加速电压进行精确地控制，因此可以对注入离子的浓度和深度分布进行精确设置；④衬底温度可自由选择，可以根据需要自由选择在低温、室温或者高温环境进行离子注入；⑤大面积均匀注入，通过束流扫描装置保证掺杂离子的均匀性；⑥离子注入技术一个最大不足是在于其获得的改性层层深较浅（一般在1um以内），对于某些需要大层深的工件不适用[29]。
表面改性处理，对表面处理后得到的钛合金试样进行了表面成分的分析。离子注入后，试样的颜色表现为淡金黄色，经过XRD衍射分析和EDS能谱分析，表明经离子注入后的试样表面形成含氮化钛的改性层，其主要化学成分为TiN和Ti4N2.33，他们的研究证明了利用氮等离子浸没注入技术处理TC4钛合金生成氮化钛改性层的可能性。反应等离子喷涂技术是将等离子喷涂和自蔓延合成技术相结合的一种新工艺，发挥两种工艺各自的优点。该工艺具有沉积速度快，简单易行的优点，可制备最大厚度达300um的TiN涂层。反应等离子喷涂技术的工作原理如图1.4所示[31]，在喷涂过程中，钛粉体在等离子焰流作用下发生燃烧反应，部分钛粉体可以气化，形成尺寸极小的Ti颗粒，与经加速器送入的氮气发生化学反应，形成TiN液滴。在气体和等离子焰流的共同作用下，TiN液滴高速飞行到钛合金基材表面，随后冷却形成涂层。整个过程用时极短，易发生淬火效应．TiN晶核来不及长大，反应最终得到晶粒细小的涂层。图1.4反应等离子喷涂示意图[31]目前有关反应等离子喷涂TiN涂层的工作，多集中在制备工艺及耐磨损性能的研究上，关于涂层显微硬度、韧性的研究鲜有。因为样品制备存在困难，目前在实际工程上该技术还未得到应用。脉冲高能量密度等离子体技术具有激光束和电子束处理的优点，能把不同元素注入到材料表面。该技术具有表面溅射、离子注人、冲击波和强淬火效应等综合效应，具有沉积膜层的温度低、沉积效率高、能量利用率高等优点，制备的膜层薄膜结构均匀、晶粒细小，膜与基体间有较宽的过渡层，硬度高、耐磨损、膜与基体结合力良好。该种技术的基本原理如图1.5所示[14]，在钛合金基材表面快速打入高能量密度等离子体，基材表面被作用区域出现局部快速熔化，紧接着发生快?
【参考文献】：
期刊论文
[1]α型钛合金离子渗氮工艺[J]. 王琳,孙枫,王赟. 金属热处理. 2018(12)
[2]Ti6Al4V合金表面渗氮层的组织、耐摩擦和耐腐蚀性能[J]. 董敏鹏,吴国东,李金龙,马付良,王志军. 材料热处理学报. 2018(10)
[3]TC4钛合金的离子渗氮工艺[J]. 王琳,孙枫,王赟,佟小军. 金属热处理. 2018(09)
[4]TC21钛合金液相等离子体法制备碳氮渗层[J]. Rabin Basnet,张吴晖,闫鹏庆,杨凯,卢文壮. 机械制造与自动化. 2017(06)
[5]基于Fluent的钛合金激光氮化机理及数值模拟[J]. 赵辉,许京荆,陈志磊,张永彬. 材料科学与工程学报. 2016(06)
[6]钛合金液相等离子碳氮共渗的流场分析[J]. 冯森,卢文壮,左杨平,刘森,闫鹏庆,潘韩飞. 机械科学与技术. 2016(09)
[7]TC4钛合金表面低压渗氮层的显微组织与耐磨性能[J]. 杨闯,刘静,马亚芹,洪流,王华. 机械工程材料. 2016(06)
[8]钛合金表面氮化技术研究进展[J]. 刘鹏,刘晓鹤. 材料开发与应用. 2015(06)
[9]钛合金表面氮化钛改性层制备的研究进展[J]. 耿芃,杨闯. 铸造技术. 2015(09)
[10]激光氮化原位直接合成涂层研究进展[J]. 唐普洪,毛杰,丰崇友,廖艳. 热加工工艺. 2015(16)
博士论文
[1]负压激光焊接过程蒸气羽烟及熔池行为研究[D]. 罗燕.上海交通大学 2015
[2]钛合金表面氮化层激光辅助制备及其力学性能研究[D]. 曹丽琴.华东理工大学 2010
[3]钛表面机械强化及其激光合金化研究[D]. 张建斌.兰州理工大学 2007
硕士论文
[1]TC4钛合金表面氮氧共渗及其摩擦行为研究[D]. 胡林泉.南京航空航天大学 2019
[2]氮气含量对Ti-6Al-4V合金激光气体氮化层裂纹的影响[D]. 卢芳.浙江工业大学 2011
本文编号：3002858
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3002858.html
教材专著
