《TC6钛合金激光喷丸复合氮离子注入强化机理及其耐磨性能研究》

技术简介：

针对离子注入工艺影响层浅引起的表面力学性能增益效果降低的问题,提出激光喷丸复合离子注入强化金属材料抗摩擦磨损性能的新方法。本文以TC6钛合金为研究对象,探索激光喷丸复合氮离子注入作用下材料微观组织及残余应力的演变规律,并研究复合工艺对抗摩擦磨损性能的强化机制。本文主要研究工作及结果如下。(1)确定了激光喷丸强化TC6钛合金试样的较优激光能量参数。XRD分析结果表明,TC6钛合金经过激光喷丸后相结构没有发生变化,但晶粒发生细化,位错密度增加,微观应力增加;残余应力测试结果表明,随着激光喷丸能量增加,TC6钛合金沿梯度方向的残余压应力及压应力总深度增加;由于激光喷丸导致加工硬化,随激光喷丸能量增加,显微硬度增加。基于微观结构、残余应力及显微硬度的分析结果,确定了激光喷丸强化TC6钛合金的较优激光能量为8J。(2)探究了激光喷丸复合氮离子注入对试样表面完整性的影响规律。结果表明,复合工艺引起的表面残余压应力增加到-550MPa,表面纳米硬度约为9.2GPa,试样表面引入较多的位错缺陷以及发生孪生变形,相比于未处理以及单一处理试样,激光喷丸复合氮离子注入强化效果最佳;粗糙度测试结果显示离子注入试样表面粗糙度从0.43μm增加到0.51μm,激光喷丸后试样的表面粗糙度为6.82μm,复合强化试样的表面粗糙度为6.71μm。但所有试样的表面粗糙度都低于临界表面粗糙度10μm,这对材料耐磨性能没有明显影响。(3)研究了激光喷丸复合氮离子注入对TC6钛合金耐摩擦磨损性能的影响规律。结果表明,激光喷丸复合氮离子注入试样的摩擦系数下降到0.4,激光喷丸强化复合离子注入试样的磨痕宽度和深度分别为19.02μm和300μm,均低于单一激光喷丸或离子注入的试样;未处理试样和单一处理试样在摩擦磨损过程中主要磨损形式为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损,其中未处理试样有较严重的粘着磨损。而复合强化试样的磨损形式主要为磨粒磨损和氧化磨损,说明复合强化试样的耐磨性能较佳。(4)揭示了激光喷丸复合氮离子注入对TC6钛合金抗摩擦磨损性能的强化机制。结果表明,复合工艺强化诱导的高幅值残余压应力可以抵消磨损过程中产生的部分拉应力,延缓磨损裂纹的产生和扩展;激光喷丸引起的晶界数量和位错密度的增加为氮离子扩散提供了通道,降低了氮离子沿晶界扩散所需活化能,有利于氮离子的扩散,增强固溶强化效果并且增加强化层深度;复合强化在试样表面诱导了大量交错的机械孪晶,随着塑性变形加剧,孪晶间距减小,晶粒更加细化,耐磨性能随之加强。

研发人员：陈少鹏