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1、Ti6Al4V盐浴复合处理工艺及工程摩擦磨损性能研究第一章绪论1.1钛及其合金1.1.1 概述钛在地壳中的含量很丰富，为0.6。是世界上存储量仅次于铁、铝和镁的第四大丰富的结构金属1,2。十八世纪九十年代，钛元素被英国的矿物学家和化学家William Gregor发现，并命名为mechanite。在1795年，德国化学家Martin Heinri ch Klaproth在分析一种匈牙利生产的金红石时认识到这种矿石是氧化钛，并用希腊神话里大地之子;的名字将其重新命名为钛(Titans)。然而直到1910年，美国的M.A.Hunter才采用TiC14和金属Na制取出了纯净的钛3。目前应用最广泛的制
2、备钛的工艺是Kroll工艺;，它是二十世纪三十年代由卢森堡的化学家Wilhelm Justin Kroll研发得到，采用Ca和TiC14来大量制取钛4。从钛的工业发展前景、资源开发寿命和工业使用价值等方面来看，钛是正在崛起仅次于铁和铝的第三大金属。但是，至今钛依然是价格比较昂贵的合金材料。而且钛的金属活性很强，生产和提炼的工艺规程都非常的复杂，也有非常高的生产成本2。在元素周期表中，钛(Ti)元素属于第四周期的副族，原子序数为22，原子量是47.90，密度是4.54g/cm3，和碳元素是同一个周期，因此他们有共性，一般情况下钛的最高氧化态是正四价。与其他很多金属类似，钛也可以结晶成两种不一样的
3、晶体结构:温度小于882.5时是密排六方晶系的α相，温度大于882.5时它就会转变成体心立方结构的β相，图1-15是二者的晶胞结构示意图，图中标识出了最密排的晶向和晶面4,6。与晶系结构是体心立方的β相比，具有密排六方晶格结构α相的各向异性和堆积密度相对来讲更高，因此，α相拥有更好的抗蠕变性能、抗塑性变形能力，而且其物理和力学性能的各项异性也更好4。钛合金表现的各种不同性能是由两种不同晶体结构所决定的。钛合金的种类主要有三种，即α钛合金、β钛合金和αβ钛合金7。.1.2钛合金的应用钛合金因其具有
4、的很好的综合性能而被广泛的应用在各个领域中，其使用量也在日渐增加15。从1950年以后，钛合金行业的发展变得非常的迅猛。现在钛合金已经是航空航天领域和军用领域中必不可少的结构材料，而且也非常广泛地应用在生物医学、汽车舰船、建筑和文体用品等领域。为军用航空领域供给高性能的材料是钛合金最早的应用。随着世界各国对军用航空领域发展的重视，在该领域钛合金的应用也越来越多。现在钛合金的发展和使用情况已经是估量该国综合军事情况的主要标志16。在军用航空领域中钛合金是一种最有发展前景的结构材料。尤其是在钢、铝合金、镍基超合金的强度和抗蚀性等性能不可以满足的航空部件中应用的更加广泛。比如在飞机发动机中对热强性和
5、强度有很高标准的部件。现在，钛合金作为结构材料广泛应用在世界上许多高速飞机中，例如美国的波音787、空客A308、F-22和F-35战斗机使用钛合金的量都很大，其中F-22战斗机所用的钛的含量达到了4117。在航空航天工业，钛合金因为其优良的综合性能，而广泛应用在宇宙飞船、导弹和火箭领域，主要用来生产飞船舱、燃料贮箱、结构骨架等部件。世界上50%左右的钛是应用在航空航天领域。在一些现代发动机上，钛合金的使用量占整个发动机重量的25%40%，α+β型Ti-3Al-2.5V合金在先进飞机的液压管道中应用非常普遍，主要是因其容易成形且强度足够高18-20。由于对应力腐蚀不灵敏，
6、锻造钛合金在飞机起落架中应用的日益增多。把钛合金应用在国防武器中可以大大减轻装备的重量，同时也可以提高防弹能力。目前钛合金主要应用于制造坦克甲板、各种自动轻装武器和装甲车板等。近年来，美国开发出成本更低的Ti6Al4V-0.25O合金，主要应用于火炮、舰船战以及车系列中。与Ti6Al4V相比，它的抗弹能力和机械性能等指标要好于Ti6Al4V，而且成本更低。.第二章试验材料与研究方法2.1引言Ti6Al4V 合金是第一个非常实用的钛合金，它最早是由美国在 1954 年研究制造出来。由于它具有优异的综合性能，而成为钛工业中的王牌合金，该合金使用量在所有用钛量中的比例超过 50，在所有钛合金使用量中
7、的比例为 7585。许多其他钛合金都可以看作是 Ti6Al4V 合金的改型。Ti6Al4V 合金在生物医学领域已经获得了十分广泛的应用。钛合金对微动磨损及微动疲劳十分敏感，其结果往往导致构件寿命急剧下降。而且钛合金不耐磨、易发生粘着、不容易润滑等缺点严重阻碍了其在各个领域中的应用，尤其是对钛合金作为摩擦副构件的阻碍作用更加明显。因此钛及钛合金构件的表面摩擦学性能不足已成为一个越来越突出的问题，提高其摩擦学性能对钛合金工业的发展具有广阔的应用前景和重大的意义。目前，解决钛合金不耐磨问题的当务之急是寻求适当的防护方法，减少或消除微动损伤的不利影响。QPQ 盐浴复合处理技术是一种新的金属表面强化改性
8、技术，可以起到表面耐磨防腐和热处理的双重作用。本文以传统钢铁 QPQ 盐浴处理工艺为参照对Ti6Al4V 进行盐浴复合处理，在 Ti6Al4V 合金表面生成高硬耐磨的化合物层和耐腐蚀的氧化层，进而提高 Ti6Al4V 合金的使用性能。.2.2试验材料Ti6Al4V 属于 α+β 型钛合金，表 2-1 是试验使用的 Ti6Al4V 试样的主要成分(质量分数)。采用线切割机将 Ti6Al4V 合金切割成长×宽×高为 20mm×20mm×5mm 的块状试样。经除油、清洗、砂纸打磨（从 180#到 2000#）、简单抛光、用去离子水
9、超声波清洗，热风吹干后置于密封袋中保存，等待处理。试验使用的基盐是由安丘市金马热处理材料有限公司生产，氧化盐是由安丘市九星热处理材料有限公司生产。其中基盐是尿素、碳酸钠、碳酸钾等的合成盐。氧化盐是由多种盐碱混合组成，呈现强碱性，容易吸水潮解。试验用盐主要是氮化盐和氧化盐，其中氮化盐在室温下呈现白色块状，氧化盐在室温下是白色粉末。试验前应对盐浴复合处理的工艺参数进行设定。在试验过程中需要特别注意的是，在把工件放入氮化炉时不能让炉内温度下降太大(小于 20)，可以从试样入炉时计算氮化时间。否则，氮化时间应该从炉内温度回升到控制温度时计算。试验所用的清洗设备是洁康超声波清洗有限公司生产的 PS-08
10、A 型超声波清洗机，预热设备是常州华冠仪器制造有限公司生产的 SX2-5-12 型箱式电阻炉，盐浴氮化和氧化设备是武汉亚华电炉有限公司生产的 SQ1213 型实验电炉。.第三章盐浴复合处理渗层特性研究. 203.1 引言.203.2 成分分析.203.2.1 表面 XRD 分析. 203.2.2 表面能谱分析. 213.3 形貌分析.223.4 表面粗糙度分析.243.5 显微硬度分析.253.6 金相显微组织分析.273.7 本章小结.28第四章盐浴复合处理表面摩擦磨损性能研究. 294.1 引言.294.2 摩擦磨损试验原理.294.3 载荷对摩擦磨损性能影响.304.4 频率对摩擦磨损性
11、能影响.354.5 润滑对摩擦磨损性能影响.394.6 盐浴复合处理工艺参数优化.454.7 本章小结.47第五章盐浴复合处理耐蚀性及润湿性研究. 485.1 引言.485.2 试验方法.485.3 试验结果与分析.495.4 盐浴复合处理工艺参数优化.515.5 表面润湿性分析.525.6 本章小结.54第五章盐浴复合处理耐蚀性及润湿性研究5.1引言Ti6A14V合金因磨损腐蚀而释放到机体内 A1 和V等金属离子会破坏机体的生物相容性，对机体产生毒性反应83-84。而盐浴复合处理渗层的存在可以有效的阻止金属离子的溶解，因此研究盐浴复合处理合金试样渗层的耐腐蚀性显得十分重要。本章在 3.5的
12、NaCl 溶液中对原始试样、氮化试样和在典型工艺参数下制备的盐浴复合处理试样进行电化学腐蚀试验，比较其耐腐蚀性能的优劣，并以腐蚀速度为考核指标设计正交试验，分析盐浴复合处理的四种工艺参数对其耐腐蚀性能的影响。然后对三种试样进行静滴接触角试验，检测试样的表面润湿性。为了研究盐浴复合处理后对试样的耐腐蚀性能，本章选用表面经过简单抛光处理的Ti6A14V 合金试样及在典型工艺参数下制备的氮化试样和盐浴复合处理试样来进行电化学腐蚀试验，比较三种合金试样的电化学腐蚀性能。试验前用导电胶带将直径为 1mm的铜丝分别粘贴到三种合金试样工作面的背面，然后用 704RTV 硅橡胶将裸露出的铜丝和非工作面完全密封
13、，然后再将待测试样的测试面进行封装，使腐蚀溶液和工作面的接触面积为 10mm×10mm。试验前将三种待测试样依次用丙酮、酒精和去离子水进行清洗并用吹风机吹干。然后将其侵入配制好的腐蚀溶液中 30min，浸泡后取出进行电化学腐蚀试验。.结论本文以 Ti6Al4V 合金为研究对象，利用盐浴复合处理技术对 Ti6Al4V 进行复合表面处理，在其表面制备复合渗层。研究盐浴复合处理技术对合金试样表面硬度、粗糙度、润湿性、摩擦磨损和耐腐蚀等性能等影响，并进行机理分析。对盐浴复合处理工艺参数进行优化。得到的结论如下：1.Ti6Al4V 合金盐浴复合处理典型工艺参数为：580氮化 4h，400氧化
14、 20min。经过盐浴复合处理试样的渗层中含有 Ti8C5相、TiCN 相、TiO2相和 Ti3O 相。盐浴复合处理试样形成的渗层由表及里依次是氧化层、疏松层和化合物层、扩散层。其中各层的厚度分别为：氧化层约为 5μm，疏松层和化合物层约为 515μm，扩散层约为 10μm。2.当盐浴渗碳温度为 580和 600时，渗层硬度曲线都是呈现先增大后减小的趋势。随着温度的升高，C 和 N 的渗入量会增加，同时产生的疏松层也更加严重，硬度曲线最大位置会向里偏移。当温度为 550时，试样产生的疏松层很少，表面硬度最高，随着层深增加硬度逐渐减小，并最终趋于基体硬度。C、N 和 O 的渗入会让 Ti6Al4V 合金试样中 α-Ti 增多，β-Ti 减少。3.盐浴复合处理试样表面的均匀性、致密性和光洁度都明显好于氮化试样和原始试样；盐浴复合处理后试样表面粗糙度值为 0.325μm，与原始试样相比下降了 70.8，与氮化试样相比下降了 60.6。盐浴复合处理可以明显提高试样的表面硬度，处理后试样的表面硬度 710.8HV，是原始试样表面硬度的 1.9
