鈦合金真空脈沖氮化及動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、鈦合金有著優(yōu)越的綜合性能，而被廣泛應(yīng)用于國防、化工、能源、航空航天和生物工程等領(lǐng)域。但鈦合金依然存在著表面硬度不高，耐磨性及疲勞性差等問題，在很多情況下不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。為此我們希望在其表面制備具有與基體結(jié)合強(qiáng)度高、硬度梯度均勻變化、耐磨性好、具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及生物兼容性的改性層，以擴(kuò)大其使用范圍，延長使用壽命。與傳統(tǒng)鈦合金表面強(qiáng)化方式不同，本文提出了在真空狀態(tài)下采用氣體脈沖的方式對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性。研究了不同工藝參數(shù)對(duì)鈦合

2、金滲層組織、結(jié)構(gòu)、硬度及耐蝕性的影響，以及滲氮過程中的機(jī)理及動(dòng)力學(xué)模型。主要研究內(nèi)容如下:
　　（1）首先采用真空脈沖的試驗(yàn)工藝，探究滲氮溫度、滲氮壓力、氮?dú)寤旌系炔煌瑢?shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì) TA2鈦合金表面改性層的影響。結(jié) TA2工業(yè)純鈦在750-900℃下氮化處理后,表面生成性能穩(wěn)定且與基體結(jié)合緊密的氮化層，其主相為TiN0.3。氮化層厚度隨溫度的升高而增加，但是溫度的升高會(huì)導(dǎo)致基體組織粗大。與原樣相比腐蝕速率降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，900℃時(shí)

3、滲氮層表面硬度可達(dá)HV1001，比基體硬度(HV210)提高約5倍，耐磨速率由原樣的0.1573cm3/N.h減小到0.0004cm3/N.h，降低了3個(gè)數(shù)量級(jí);滲氮的壓力大小影響滲氮層的相組成，負(fù)壓有利于 N原子的真空滲入，利于滲氮層厚度的增加。但壓力對(duì)滲氮層的影響并不如溫度對(duì)它的影響大;采用不同氮?dú)灞葘?duì)TA2進(jìn)行氮時(shí)，氮含量越低越利于擴(kuò)滲，但是過少的有效活性 N原子的不利于滲層的致密性和厚度增強(qiáng)，隨著氮分壓的增大，滲氮層表面越為致密

4、，同時(shí)導(dǎo)致N原子擴(kuò)散難度增大。
　?。?）為了改善鈦合金單獨(dú)氣體氮化存在的問題，本文提出了一種碳氮復(fù)合滲工藝。TA2鈦合金進(jìn)行碳氮復(fù)合滲處理后的表面性能比單獨(dú)氣體滲氮表現(xiàn)的更為優(yōu)異。改性層也由單純的鈦的氮化物相轉(zhuǎn)變?yōu)殁伒奶嫉飶?fù)合相（TiN0.3、C0.7N0.3Ti、TiN/TiC），這種碳氮復(fù)合改性層與基體過渡均勻，形成的硬度梯度平緩，耐磨性與耐蝕性也得到了提高。相對(duì)原樣下降了4個(gè)數(shù)量級(jí)，比單獨(dú)氣體滲氮的下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)

5、r>　?。?）鈦合金氣體氮化屬于典型的氣固反應(yīng)，在理想狀態(tài)下，氣固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受內(nèi)擴(kuò)散和表面滲透兩種因素控制；在實(shí)際反應(yīng)過程中，“滲透控制”和“擴(kuò)散控制”在滲氮過程中隨著反應(yīng)時(shí)間的變化可能呈現(xiàn)不同的控速比重。本文采用一種新的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)鈦合金滲氮與碳氮復(fù)合滲動(dòng)力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬，在模型中引入新的參數(shù)——控制系數(shù)n，用于判斷滲氮過程中的控速機(jī)理。當(dāng)n值小于1時(shí)，氣固反應(yīng)中內(nèi)擴(kuò)散控制所占的比重大于滲透控制。當(dāng)n大于1時(shí)，反之。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合