钛合金轴液相等离子体强化研究

发布时间：2017-07-31 20:29

  本文关键词：钛合金轴液相等离子体强化研究

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【摘要】：钛合金由于其比强度高、耐蚀性好等特点,已经广泛应用于航空航天等多个领域。但是钛合金本身硬度低、耐磨性差、摩擦系数高,制约了它作为航空航天等领域传动件的应用。为了提高钛合金表面硬度、提升表面摩擦磨损性能,满足航空航天领域传动件的应用要求,使用新型的液相等离子体强化方法,对TC4钛合金轴进行强化处理。本文研究了强化系统的物理场,研究了直流液相等离子体强化层的形成机制,研究了工艺参数对强化层性能的影响。本文完成的主要研究工作及成果如下:1.使用COMSOL平台对实验系统的物理场进行研究,通过电场研究辅助电极设计,通过温度场、流场研究验证强化可行性、稳定性。研究表明,合理的电极设计能够保证处理过程中的电场强度均匀;工件电极在处理过程中温度均匀,周围电解液流速较低,处理过程具有较好的稳定性。2.研究了直流液相等离子体强化层的形成机制。从热力学角度分析验证了强化层的生成可能性。通过实验证明,强化层形成过程中,电解液体系、电参数、初始表面层等因素需要满足一定的条件。温度研究显示260V电压下工件电极温度最高且变化幅度小。理论分析表明,液相强化有其独特的放电模型,强化元素在钛合金中的扩散机制为空位扩散和晶界扩散,强化层的生长过程大致可分为四个阶段。3.研究了处理电压和处理时间对TC4钛合金强化层的物相、表面形貌、元素、组织、硬度、抗磨损性能、耐腐蚀性能的影响。结果表明:电压与时间是影响表面强化层特性的重要参数。260V处理30min得到的强化相Ti(C,N)含量最多,表面层平整,放电孔直径小、无明显的裂纹,与基体结合良好。该参数时近表层硬度最大,可以达到788HV0.01,约两倍于基体。经过强化处理后与GCr15钢球对磨,表面层仅发生轻微磨损,抗磨损能力较基体有明显提升。强化处理可以使TC4的自腐蚀电位正移,腐蚀电流密度减小,耐腐蚀性能升高。
【关键词】：TC4钛合金 液相等离子体 强化 物理场 表面特性
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 注释表11-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 引言12
• 1.2 钛合金与钛合金轴12-16
• 1.2.1 钛合金的分类12-13
• 1.2.2 钛合金的应用13-15
• 1.2.3 钛合金轴15-16
• 1.2.4 钛合金轴在应用中的问题16
• 1.3 钛合金的表面强化技术16-19
• 1.3.1 气体氮化与激光气体氮化17
• 1.3.2 离子束改性17-18
• 1.3.3 表面氧化处理18
• 1.3.4 表面纳米处理18-19
• 1.3.5 表面强化技术存在的问题19
• 1.4 液相等离子体表面强化技术19-21
• 1.4.1 等离子体及液相放电等离子体19-20
• 1.4.2 液相等离子体表面强化技术发展20
• 1.4.3 钛合金液相等离子体强化20-21
• 1.5 研究意义及研究内容21-23
• 1.5.1 研究意义21
• 1.5.2 研究内容21-23
• 第二章 液相等离子体强化系统物理场研究23-34
• 2.1 引言23
• 2.2 液相等离子体法的COMSOL有限元分析23-24
• 2.2.1 直流液相等离子体法有限元分析的意义23-24
• 2.2.2 COMSOL Multiphysics与多物理场耦合24
• 2.3 分析模型的建立24-25
• 2.3.1 简化模型的建立24-25
• 2.3.2 耦合分析的设置25
• 2.4 结果与讨论25-33
• 2.4.1 系统电场26-30
• 2.4.2 系统温度场30-32
• 2.4.3 系统流场32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 钛合金直流液相等离子体强化层的形成机制34-50
• 3.1 引言34
• 3.2 强化相形成的热力学分析34-36
• 3.3 强化层的形成条件36-41
• 3.3.1 电解液体系36-38
• 3.3.2 电参数38-39
• 3.3.3 初始表面状态39-41
• 3.4 强化处理温度41-44
• 3.4.1 实验设计41-42
• 3.4.2 不同电压的试样平均温度42-43
• 3.4.3 试样温度随时间的变化43-44
• 3.5 强化层的生长机理44-49
• 3.5.1 液相等离子体的放电模型44-46
• 3.5.2 处理过程中的元素的扩散46-48
• 3.5.3 强化层生长过程48-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第四章 TC4钛合金轴液相等离子体强化实验研究50-74
• 4.1 引言50
• 4.2 实验材料、设备及方案50-55
• 4.2.1 实验材料50-51
• 4.2.2 实验设备51-52
• 4.2.3 实验流程52-53
• 4.2.4 实验设计53
• 4.2.5 检测分析方法53-55
• 4.3 电压对强化层的影响55-64
• 4.3.1 强化层的物相55-57
• 4.3.2 表面形貌与元素57-59
• 4.3.3 截面组织与元素分布59-61
• 4.3.4 强化层硬度61-62
• 4.3.5 强化层的抗磨损性能62-64
• 4.4 时间对强化层的影响64-73
• 4.4.1 强化层的物相64-65
• 4.4.2 表面形貌与元素65-67
• 4.4.3 截面组织与元素分布67-69
• 4.4.4 强化层硬度69-70
• 4.4.5 强化层的抗磨损性能70-71
• 4.4.6 强化层的电化学性能71-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第五章 总结与展望74-77
• 5.1 总结74-75
• 5.2 展望75-77
• 参考文献77-84
• 致谢84-85
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文85

【参考文献】

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本文编号：601036