氮气含量对Ti-6Al-4V合金激光气体氮化层裂纹的影响

论文摘要

为了提高钛合金的表面硬度、耐磨性能以及控制氮化层中裂纹,本文采用激光气体氮化技术对Ti-6A1-4V合金进行了表面氮化处理。本文分析了激光参数对激光氮化的影响,根据激光氮化层裂纹产生的原理,通过调节氮化气体中氮气含量,探讨了不同的氮气含量对氮化层表面裂纹的影响,并有效的控制了氮化层中裂纹的产生。研究表明增大激光功率或者降低扫描速度,氮化层的厚度随之增加。由于激光束能量的高斯分布、工件的冷却速度不同以及氮化气体的作用等导致了熔池中对流的产生,降低激光的扫描速度,可以增大熔池对流的时间,使得氮化层中氮元素充分的扩散,分布均匀。同时Ti-6A1-4V激光气体氮化时,基体具有激冷作用,阻碍了氮元素的深层扩散,使得氮化层的硬度层梯形分布,其中表面的硬度最高。氮化层裂纹主要由基体产生,终止于氮化层表面。氮化时氮化区在固相线稍低的高温区间,刚凝固的金属中还存在着比较多的晶格缺陷以及严重的成分不均匀性。在一定的温度和应力作用下,使得这些晶格缺陷发生了迁移和聚集,由于氮化层的塑性很差,加上拉伸应力的作用,裂纹就产生于晶格缺陷聚集的地方。利用XRD分析氮化层中的组织形式,得知在氮化气体中氮气含量高于60%时,氮化层中有大量的TiN存在,同时对裂纹的偏析物进行EDS扫描分析,结果显示偏析物中含有较高的N元素。本文采用控制氮化气体中的氮气含量来控制氮化层中裂纹的产生。在激光功率为2000W,扫描速度为5mm/s,氮化气体总流量为20L/min时,分析了不同氮气含量对氮化层裂纹的影响,结果显示：在一定的激光参数下,氮气含量为40%时,能够得到氮元素分布均匀且表面无裂纹的氮化层。钛合金经过激光气体氮化后,其表面硬度和耐磨性能明显提高。氮化气体中氮气含量为40%时,氮化层的耐磨性能是基体的5倍,表面硬度是基体的2.5倍,可以达到778HVo.2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 钛合金的发展历史及钛合金的特性
• 1.1.1 钛合金的发展史
• 1.1.2 钛合金的特性
• 1.2 钛合金的应用
• 1.3 常用钛合金的表面改性技术
• 1.3.1 钛及钛合金表面化学处理及阳极氧化
• 1.3.2 气相沉积
• 1.3.3 电火花沉积
• 1.3.4 激光表面合金化处理
• 1.3.5 等离子渗氮
• 1.3.6 激光熔敷
• 1.4 钛合金激光表面处理研究进展
• 1.4.1 钛合金激光表面粉末合金化
• 1.4.2 钛合金激光表面气体氮化
• 1.4.3 钛合金激光表面粉末合金化和气体氮化存在的问题
• 1.5 摩擦磨损的分类及评定
• 1.6 本课题的研究意义
• 1.7 本课题的主要研究内容
• 1.8 技术路线
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.3 试验仪器
• 2.4 试样制备与组织结构分析方法
• 2.4.1 基体预处理
• 2.4.2 试样的制备
• 2.4.3 氮化层X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.4 显微组织分析
• 2.4.5 力学性能测试分析
• 第3章 工艺参数对氮化层组织形貌的影响
• 3.1 激光工艺参数对氮化层厚度的影响
• 3.2 激光工艺参数对氮化层中氮化物分布的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 Ti-6Al-4V合金激光氮化裂纹的特征与分析
• 4.1 激光氮化层的裂纹生成分析
• 4.2 氮化层的裂纹种类
• 4.3 氮化层裂纹中夹杂物及偏析物分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 采用不同氮气含量控制氮化裂纹
• 5.1 氮化区表面的颜色以及探伤试验
• 5.2 氮气含量对TC4激光氮化层组织及性能的影响
• 5.3 结论
• 第6章 钛合金氮化层摩擦磨损性能
• 6.1 氮化层的耐磨性试验测试结果
• 6.2 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果