采用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)提高Ti6Al4V合金摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、鈦合金以其密度低、強(qiáng)度高和耐蝕性好而成為航空航天、生物醫(yī)學(xué)及能源化工等部門的重要結(jié)構(gòu)材料。然而，其耐磨性能不足是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。利用表面處理技術(shù)在鈦合金表面形成改性層是提高其摩擦學(xué)性能的主要途徑之一。具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的雙層輝光離子滲金屬技術(shù)可以在金屬表面形成多種元素組合、成分呈梯度分布、無界面弱化的合金滲層，且具有節(jié)約能源，無污染等優(yōu)點。本文針對鈦合金表面耐磨性能不足問題，采用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)，設(shè)計選擇三種表面合金化元

2、素組合Mo—C、Mo—N、Mo—Cr，在鈦合金Ti6A14V表面形成三種合金改性層。通過對這三種改性層的組織結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)性能、耐沖擊性能、球一盤磨損性能系統(tǒng)的對比研究，得出Mo—N合金改性層具有最好的綜合性能，并進(jìn)一步對Mo-N合金改性層進(jìn)行微動磨損性能、腐蝕磨損性能的研究。在試驗研究過程中，對雙層輝光離子滲金屬技術(shù)中一些理論問題進(jìn)行探討：質(zhì)疑雙層輝光增強(qiáng)放電的二次電子增強(qiáng)放電機(jī)制并提出輝光疊加促使湯生第一電離系數(shù)增大而最終造成放電電

3、流密度大增的新觀點，澄清中性粒子在雙輝滲金屬物質(zhì)傳輸過程中起主要作用，討論源極的三個基本結(jié)構(gòu)，初步研究極間距對合金滲層的影響作用。 論文的主要工作如下： (1)采用與三種合金化方案中源極特點相適應(yīng)的源極結(jié)構(gòu)，在相同工藝參數(shù)條件下，在Ti6A14V合金表面成功的形成成分成梯度分布、均勻、連續(xù)的三種合金改性層。由于源極元素不同，形成的三種合金化改性層組織結(jié)構(gòu)不同，機(jī)械性能也不同。通過硬度、劃痕、多沖、球盤磨損四種方法來檢測三

4、種合金化方案改性層的性能，基本能夠較全面地反映出其綜合力學(xué)性能。雖然Mo-Cr合金層的表面硬度最高，表層硬度分布比較平緩，但是由于層內(nèi)存在脆性相金屬間化合物，顯示出較大的脆性，抗沖擊能力最差。Mo-C合金層表面硬度最小，韌性好，抗沖擊能力較強(qiáng)，但摩擦學(xué)性能最差。Mo-N共滲后表面硬度也較高，表層硬度分布平緩，韌性較好，抗沖擊能力最強(qiáng)，抗磨性最強(qiáng)。所以雙輝滲Mo-N是對于改善在Ti6Al4V合金表面耐磨性能來說是較優(yōu)方案。 (2)

5、本文進(jìn)一步探討了Mo-N合金化滲層的微動磨損和腐蝕磨損性能。采用雙層輝光滲金屬技術(shù)在Ti6Al4V合金表面滲Mo-N可有效提高Ti6Al4V合金的抗微動磨損能力，微動磨損機(jī)制是犁削，沒有裂紋、剝落和粘著等現(xiàn)象發(fā)生。在3.5％NaCl、0.5M H<,2>SO<,4>、0.02 M Na<,3>PO<,4>及亨氏溶液中的腐蝕磨損性能試驗表明，Ti6A14V合金經(jīng)Mo-N合金化后摩擦系數(shù)都有不同程度的降低，其中Na<,3>PO<,4>水溶液

6、中的減摩效果最好，摩擦系數(shù)由0.61降低到0.22；抗腐蝕磨損能力也有不同程度提高，其中在亨氏溶液中，腐蝕磨損抗力增加最顯著，磨損體積減少52倍。通過電化學(xué)噪音技術(shù)揭示出一些腐蝕磨損過程中不易發(fā)覺的內(nèi)在聯(lián)系：實驗進(jìn)入穩(wěn)定期后，未經(jīng)處理的和Mo—N表面改性后的Ti6Al4V試樣都處于一種鈍化一去鈍化一鈍化的循環(huán)狀態(tài)，但是改性后的噪音參數(shù)明顯低于鈦合金基材。 (3)雙層輝光離子滲金屬過程是以碰撞為基本過程的空間放電過程，是一個能量

7、轉(zhuǎn)化和釋放的過程，又是一個物質(zhì)傳輸?shù)倪^程。本文從幾個具體試驗現(xiàn)象出發(fā)，唯象分析了雙輝過程中的一些實驗現(xiàn)象，提出雙層輝光疊加增強(qiáng)放電過程的一些理論見解。雙層輝光疊加增強(qiáng)放電的物理范疇包括空心陰極放電，而雙層輝光疊加增強(qiáng)放電屬于輝光放電范疇。研究發(fā)現(xiàn)，影響最廣泛的二次電子振蕩機(jī)制并不能解釋雙層輝光疊加增強(qiáng)放電現(xiàn)象。引起雙層輝光增強(qiáng)放電的原因在于工件極輝光放電影響源極的湯生第一電離系數(shù)，縮小了陰極位降區(qū)厚度，從而提高了電流密度，增大了電能消耗