Ti6Al4V合金表面等离子Ni合金层制备及其性能研究

发布时间：2017-10-05 15:34

  本文关键词：Ti6Al4V合金表面等离子Ni合金层制备及其性能研究

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【摘要】：钛合金因具有密度低、比强度高、耐蚀性能优等特点，而被广泛应用于航空、航天、汽车等行业。但是其硬度低、耐磨性差，限制了在冲蚀环境下的应用。为此，表面改性是改善其性能的有效方法之一。本文利用双辉等离子渗金属技术，在Ti6Al4V合金表面制备出良好的Ni合金层，分析了保温温度和工作气压对Ni合金层形成的影响，进而优化了工艺参数，并对合金层进行表征。研究了Ni合金层的纳米力学性能和冲蚀性能，讨论分析了不同冲蚀条件下的磨损机理。得出的主要结论如下： （1）采用双辉等离子体合金化技术可以在Ti6Al4V合金表面制备出均匀、致密的Ni合金层。优化的工艺参数为：保温温度930℃，工作气压35Pa，极间距18mm，保温时间3h，压差250V。 （2）Ti6Al4V合金经等离子渗Ni合金化处理后，表面呈现“胞状凸起”形貌，粗糙度增加。Ni合金层由三层结构组成，由表及里分别为：镍沉积层、富镍合金层、贫镍合金层。Ni元素含量在渗层深度方向上存在3个成分平台，逐层降低，梯度分布。Ni合金层主要的相组成为：单质Ti、Ni，化合物Ni3Ti、Ti2Ni、NiTi、AlNi3。其中单质Ni在镍沉积层形成，Ni3Ti、Ti2Ni、NiTi金属间化合物在富镍合金层形成。 （3）富镍合金层的力学性能和冲蚀性能得到了明显提高，贫镍合金有所改善但效果不大，而镍沉积层和Ni元素凹陷区明显恶化，，应尽量减少镍沉积层的厚度。 （4）不同冲蚀载荷和角度下，Ni合金层以塑性冲蚀特性为主，磨损机制为微切削磨损，主要磨损形式为犁削和冲蚀坑。 （5）冲蚀角度对Ni合金层的冲蚀性能有较大影响。随着冲蚀角度的增加，Ni合金层的冲蚀率增加，在90°达到最大。 （6）Ni合金层的组织结构和力学性能对Ni合金层的冲蚀性能有较大影响。H/E、H2/E3值越大，Ni3Ti、Ti2Ni、NiTi含量越高，合金层的冲蚀性能越好。
【关键词】：双辉等离子合金化 Ni合金层 纳米压入 冲蚀磨损
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 钛及钛合金10-13
• 1.1.1 钛的概述10
• 1.1.2 钛的特性10-12
• 1.1.3 钛合金的分类12
• 1.1.4 钛及钛合金的应用12-13
• 1.2 钛合金表面改性技术13-16
• 1.2.1 电镀、电沉积法14
• 1.2.2 表面氧化处理技术14
• 1.2.3 表面化学处理技术14-15
• 1.2.4 激光表面改性技术15
• 1.2.5 离子注入技术15
• 1.2.6 薄膜技术15
• 1.2.7 双辉等离子渗金属技术15-16
• 1.3 双辉等离子体渗金属技术16-17
• 1.3.1 双辉等离子渗金属技术原理16-17
• 1.3.2 双辉等离子渗金属技术特点17
• 1.4 Ni 元素及钛镍化合物合金涂层17-18
• 1.4.1 Ni 元素简介17-18
• 1.4.2 钛镍化合物合金涂层18
• 1.5 课题的提出18-20
• 1.5.1 课题可行性分析18-19
• 1.5.2 课题主要研究内容19-20
• 第二章 实验设备及方法20-32
• 2.1 合金层的制备20-22
• 2.1.1 实验材料20-21
• 2.1.2 实验设备21
• 2.1.3 合金层制备过程21-22
• 2.2 工艺参数的选择22-24
• 2.2.1 压差22
• 2.2.2 极间距22-23
• 2.2.3 保温时间23
• 2.2.4 保温温度23
• 2.2.5 工作气压23-24
• 2.3 Ni 合金层的表征24
• 2.4 纳米压入实验24-28
• 2.4.1 纳米压入实验设备24-26
• 2.4.2 纳米压入测试原理26-28
• 2.5 冲蚀实验28-32
• 2.5.1 冲蚀实验设备29
• 2.5.2 冲蚀形貌的表征29
• 2.5.3 冲蚀性能的评价方法29-30
• 2.5.4 冲蚀磨损的影响因素30-32
• 第三章 温度和工作气压对等离子体渗 Ni 的影响32-42
• 3.1 工艺参数设置32
• 3.2 保温温度对 Ni 合金层的影响32-36
• 3.2.1 保温温度对 Ni 合金层表面形貌及形成机制的影响32-33
• 3.2.2 温度对 Ni 合金层结构的影响33-35
• 3.2.3 温度对 Ni 合金层相结构的影响35-36
• 3.3 工作气压对 Ni 合金层的影响36-39
• 3.3.1 工作气压对 Ni 合金层表面形貌及形成机制的影响36-37
• 3.3.2 工作气压对 Ni 合金层结构的影响37-39
• 3.3.3 工作气压对 Ni 合金层结构的影响39
• 3.4 小结39-42
• 第四章 较佳工艺制备 Ni 合金层的表征42-46
• 4.1 Ni 合金层的表面形貌42
• 4.2 Ni 合金层的截面组织形貌42-43
• 4.3 Ni 合金层的成分分布43-44
• 4.4 Ni 合金层的相结构44-45
• 4.5 小结45-46
• 第五章 Ni 合金层的纳米压入分析46-56
• 5.1 实验参数46
• 5.2 试样的准备46-47
• 5.3 测试点的选择47
• 5.4 纳米压入测试结果及分析47-54
• 5.4.1 Ni 合金层横截面纳米压入测试结果及分析47-50
• 5.4.2 Ni 合金层表面纳米压入测试结果及分析50-52
• 5.4.3 合金化 Ti6Al4V 基体纳米压入测试结果及分析52-53
• 5.4.4 Ni 合金层的硬度和弹性模量分布53-54
• 5.5 小结54-56
• 第六章 Ni 合金层冲蚀性能研究56-76
• 6.1 实验材料56
• 6.2 实验参数56-57
• 6.3 冲蚀磨损率的测量57
• 6.4 不同载荷下 Ni 合金层的冲蚀特性57-69
• 6.4.1 不同载荷下 Ni 合金层的宏观冲蚀形貌57-61
• 6.4.2 不同载荷下 Ni 合金层的冲蚀磨损率及影响因素61-64
• 6.4.3 不同载荷下 Ni 合金层的微观冲蚀形貌64-69
• 6.5 不同冲蚀角度下 Ni 合金层的冲蚀特性69-73
• 6.5.1 不同冲蚀角度下 Ni 合金层的宏观冲蚀形貌69-71
• 6.5.2 不同冲蚀角度下 Ni 合金层的冲蚀磨损率71
• 6.5.3 不同冲蚀角度下 Ni 合金层的微观形貌71-73
• 6.6 小结73-76
• 第七章 结论76-78
• 参考文献78-84
• 致谢84-86
• 攻读硕士期间发表的学术论文86

【参考文献】

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本文编号：977591