基於TiNi合金的鈦合金表面韌性耐磨改性層研究

《基於TiNi合金的鈦合金表面韌性耐磨改性層研究》是依託太原理工大學，由賀志勇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於TiNi合金的鈦合金表面韌性耐磨改性層研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：賀志勇
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

本研究採用等離子表面合金化法在鈦表面形成TiNi合金層。由於TiNi合金獨特的偽彈性變形特性，此改性層具有良好的耐磨性並保持較高韌性。對合金化過程中的二元合金靶高溫濺射行為進行深入研究，揭示高溫下的濺射特徵以及濺射粒子在等離子輝光放電環境中的輸運規律；分析巨觀控制參數對合金層形成動力學特徵的影響規律，實現有效的成分控制；對合金化改性層進行表征和力學性能分析，運用有限元模擬法探討改性層耐磨機理。在航空航天領域套用的鈦合金通常要求具備較高的疲勞性能，大多數提高其表面耐磨性的改性技術依靠大幅度提高表面硬度的方法，在提高耐磨性的同時降低了抗衝擊和疲勞性能，綜合性能難以滿足使用要求。TiNi合金改性層兼顧耐磨性與韌性，是一種新穎的鈦合金表面改性途徑，綜合性能好，具有良好的套用前景。研究中涉及的高溫二元濺射，磨損機理分析等內容是有特色和創新之處的工作，具有較高的學術價值和科學意義。

結題摘要

鈦合金具有高的比強度，優異的耐蝕性及生物相容性等一系列優點。然而由於其硬度低、導熱性差的本徵特性，鈦合金摩擦中易發熱粘著，耐磨性差。由於大量的鈦合金零部件工作在具有摩擦和微動磨損的條件下，因此通過表面改性處理改善其摩擦學行為是必需的環節。此外，在航空航天領域廣泛套用的鈦合金通常要求具備較高的疲勞性能，而大多數提高其表面耐磨性的改性技術依靠大幅度提高表面硬度的方法，在提高耐磨性的同時降低了抗衝擊和疲勞性能，綜合性能難以滿足使用要求。因此迫切需要研發兼顧耐磨性及韌性的新型改性層。TiNi合金作為一種形狀記憶合金廣為人知，但近年來研究發現其具有良好的耐磨性，同時硬度適中，韌性較好，也是是一種極具潛力的新型耐磨材料。因此將TiNi合金作為常規鈦合金的表面改性層是一種值得探討的新思路。本研究採用等離子表面冶金技術在鈦合金表面通過合金化獲得TiNi表面合金層，系統研究巨觀控制因素對合金層形成動力學特徵的影響規律，得到最佳化的製備條件；對合金化改性層進行表征和性能分析，探討改性層強化機理。研究結果表明：溫度、時間、放電參數對合金層形成均有較大影響，在最佳化條件下製備得到的TiNi合金層均勻緻密，與基體冶金結合。改性層硬度較基體提高一倍左右，XRD分析得到其主要強化相為Ti2Ni及TiNi。在滑動摩擦、微動摩擦及腐蝕摩擦條件下改性層耐磨性均得到顯著改善，通過不同載荷、轉速、溫度等實驗條件的變化對摩擦係數、磨損量及磨痕形貌等結果的影響，分析探討了改性層的磨損機理。滑動摩擦中，隨著載荷的加大，摩擦係數基本不變，而磨損量加大，磨損機制從磨粒磨損轉變為粘著磨損；高溫摩擦中磨粒磨損、粘著磨損及氧化磨損並存；在微動磨損試驗中，合金層的摩擦係數隨著微動頻率、位移幅值、摩擦時間的增加而增加，以磨粒磨損為主要機制。摩擦配副材料對磨損機制也有顯著影響，金屬材料顯示較大的粘著傾向，陶瓷材料則以磨粒磨損及微切削為主。此外，多衝試驗中，改性層也顯示出良好的韌性，以內聚性失效為主，結合強度較硬質薄膜有顯著提高。總體來看，合金層的改性效果來自於其中TiNi相良好的綜合性能及Ti2Ni相的強化效果。