| 钛表面激光强化及其摩擦学性能研究 | |
| 郭纯 | |
| Subtype | 理学博士 |
| Thesis Advisor | 陈建敏 ; 周健松 |
| 2012-05-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院研究生院 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 钛 激光表面处理 涂层 摩擦学性能 Titanium Laser Surface Treatment Coatings Friction And Wear Properties |
| Abstract | 针对国家高技术领域对钛及其合金运动部件耐磨、 润滑和抗高温氧化的性能要求。利用激光表面合金化和激光熔覆技术，在钛表面制备出了具有良好减摩耐磨性能的硼化涂层、镍基复合涂层和钛系金属间化合物涂层材料。系统考察了激光合金化及熔覆工艺、涂层的物相组成、组织结构、摩擦学性能。分析了涂层材料结构与性能之间的关系，获得了有价值的数据和结果。为钛及其合金激光表面处理技术工程化应用提供了技术和理论支持。主要研究内容和结论如下： 1.利用激光合金化技术在纯钛基材表面以硼粉、氮化硼粉和碳化硼粉为原料，合成了含TiB、TiB2等硼化物的硼化涂层。用XRD、TEM、SEM等分析测试技术，研究了不同硼化层的组成、结构。用UMT-2MT摩擦试验机评价了不同硼化层和纯钛基材的摩擦磨损性能。研究结果表明：不同的硼源对合金化层的物相组成、显微结构及摩擦学性能产生了重要的影响；以硼粉为硼源的合金化层主要含TiB2、TiB、TiB12和Ti相，显微结构主要为棒状晶；以氮化硼粉为硼源的合金化层主要含TiB2、TiB、TiN、TiN0.3、TiO2和Ti相，显微结构主要为棒状晶和枝状晶；以碳化硼粉为硼源的合金化层主要含TiB2、TiB、TiN、TiC和Ti相，显微结构主要为棒状晶和枝状晶；三种合金化涂层的截面硬度和耐磨性能顺序为： 硼粉合金化层＞氮化硼粉合金化层＞碳化硼粉合金化层。三种合金化层与AISI52100钢球对摩时的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损。 2.利用激光熔覆技术在钛表面制备了NiCrBSi涂层、 NiCrBSi/WC-Ni复合涂层、NiCrBSi/HfB2 复合涂层和 NiCrBSi/ZrB2 复合涂层。系统考察了不同增强相及增强相的含量对镍基涂层组成、结构、硬度及摩擦学性能的影响。研究结果表明：WC-Ni、HfB2 和增强相 ZrB2 的加入可以显著提高镍基涂层的硬度和耐磨性能；对比四种镍基涂层可以发现：NiCrBSi/ZrB2 复合涂层的显微硬度＞NiCrBSi/WC-Ni 复合涂层的显微硬度＞NiCrBSi/HfB2 复合涂层的显微硬度＞NiCrBSi 涂层的显微硬度；NiCrBSi/ZrB2 复合涂层的耐磨性能＞NiCrBSi/HfB2 复合涂层的耐磨性能＞NiCrBSi/WC-Ni 复合涂层的耐磨性能＞NiCrBSi 涂层的耐磨性能。 3.利用激光熔覆原位合成技术，在纯钛表面制备了 Ti-Al、Ti-Cu、Ti-Ag 三种金属间化合物涂层，考察了三种金属间化合物涂层的物相组成、硬度、组织结构和摩擦学性能。研究结果表明：通过激光熔覆原位合成制备的钛系金属间化合涂层， 具有较高的显微硬度、 精细的晶体结构和优异的抗磨减摩性能；Ti3Al 金属间化合物涂层的显微硬度＞Ti-Cu 金属间化合物涂层的显微硬度＞TiAg金属间化合物涂层的显微硬度； Ti-Cu金属间化合物涂层的耐磨性能＞TiAg 金属间化合物涂层的耐磨性能＞Ti3Al 金属间化合物涂层的耐磨性能；TiAg金属间化合物涂层具有最低的摩擦系数，表现出良好的润滑性能。 4.论文相关研究成果已用于钛合金轴承、钛合金活塞、航空发动机燃油泵钛合金侧板等机械部件的表面耐磨强化。 其中利用激光表面合金化处理的钛合金轴承（Ti-6Al-4V）相比于未处理的钛合金轴承，抗滚动接触疲劳性能提高20～72 倍，最大承载能力从 150 N提高到 200～600 N。钛合金活塞经过激光强化技术处理后，可以显著提高活塞的耐磨性能和抗热疲劳性能。利用激光淬火处理的航空发动机燃油泵钛合金侧板，在干磨、航空煤油和航空液压油摩擦磨损测试条件下（摩擦配副为黄铜和锡青铜） ，钛合金侧板的耐磨性能得到显著提高，粘着磨损减小。 |
| Funding Project | 磨损和表面工程组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/2869 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 郭纯. 钛表面激光强化及其摩擦学性能研究[D]. 中国科学院研究生院,2012. |
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