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钛合金表面复合涂层的制备

作　者: 礼洁冰
导　师: 赵晖
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 材料学
关键词: 微弧氧化脉冲电子束表面改性耐磨耐蚀性
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

钛合金具有比强度高、无磁和耐高低温等优良的性能，但也存在表面硬度低、摩擦磨损性能差等缺陷，限制了钛合金的应用。本文以提高钛合金的表面显微硬度，改善钛合金表面的耐蚀耐磨性能为目的；采用微弧氧化（MAO）和强流脉冲电子束（HCPEB）两种技术复合处理，在Ti-6Al-4V合金（TC4）表面制备出新型复合金属陶瓷涂层。利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱（EDS）、X-射线衍射仪（XRD）、显微硬度计和万能摩擦磨损试验机及盐雾腐蚀试验箱研究膜层形貌、膜层元素分布特点、相组成、表面显微硬度、摩擦磨损，研究了膜层的形貌、相组成、元素分布、显微硬度、摩擦磨损及耐蚀性能的变化。研究结果表明TC4合金在硅酸盐体系电解液中微弧氧化生成粗糙的多孔陶瓷涂层，经HCPEB处理后形成平整、致密的金属陶瓷涂层。在低能量参数作用的HCPEB处理过程中，涂层表面残存有MAO涂层的熔凝状空隙，并出现裂纹状纹理；随着HCPEB的加速电压、束流强度和脉冲次数的逐步提高，MAO所特有的空隙完全消失，裂纹状纹理分布更加密集、均匀。与MAO涂层相比，复合涂层中出现强烈的钛基体衍射峰，且金红石的衍射峰变强，锐钛矿的衍射峰变弱。同时，EDS能谱显示，复合处理后表面氧原子和钛原子的比例约在1:3左右，远小于2:1，即涂层由钛金属基体、金红石和锐钛矿相组成。硬度测试结果显示，与基体相比，复合涂层的显微硬度大幅提高；且在12kV，130A，10次的参数作用下，显微硬度值达到1222HV。同时，显微硬度在束流强度、加速电压和束斑径向的一定阶段成梯度增加。摩擦磨损实验结果表明，复合涂层表面的摩擦系数几乎在整个实验过程中都稳定在0.2左右；而且磨损量降低一倍。复合涂层的摩擦磨损性能大幅提高。耐蚀显示，复合涂层的腐蚀电位虽不及MAO涂层，但较基体已提高到0.3左右；且通过盐雾腐蚀发现，复合涂层表面以点腐蚀为主，而形似缺陷的裂纹状纹理并未发生明显腐蚀。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-28
  1.1 钛合金的概述  13-18
    1.1.1 钛合金的发展历程  13-14
    1.1.2 钛合金的分类及性能  14-16
    1.1.3 钛合金在主要领域的发展及应用  16-18
  1.2 微弧氧化表面处理技术概述  18-21
    1.2.1 微弧氧化技术  18
    1.2.2 微弧氧化发展历史及研究现状  18-20
    1.2.3 微弧氧化技术性能特点  20-21
  1.3 强流脉冲电子束表面处理技术概述  21-26
    1.3.1 强流脉冲电子束的发展历史  21-22
    1.3.2 强流脉冲电子束表面改性技术分类及特点  22-25
    1.3.3 电子束表面改性处理的应用及研究现状  25-26
  1.4 本工作的意义与内容  26-28
    1.4.1 研究的意义  26
    1.4.2 研究内容  26-27
    1.4.3 技术路线  27-28
第2章试验材料及方法  28-34
  2.1 试验材料  28
  2.2 微弧氧化试验  28-30
    2.2.1 微弧氧化设备  28-29
    2.2.2 工艺参数选择  29
    2.2.3 微弧氧化工艺流程  29-30
  2.3 脉冲电子束试验  30-32
    2.3.1 脉冲电子束设备  30-31
    2.3.2 工艺参数选择  31-32
    2.3.3 脉冲电子束工艺流程  32
  2.4 分析测试方法  32-34
    2.4.1 硬度检测  32
    2.4.2 扫描电镜（SEM）观察  32
    2.4.3 氧化陶瓷膜表面化学成分分析  32
    2.4.4 XRD 分析  32
    2.4.5 陶瓷层的摩擦磨损性能测试  32-33
    2.4.6 陶瓷层的耐蚀性能测试  33-34
第3章钛合金表面形貌及成分物相的分析  34-44
  3.1 钛合金表面形貌的研究  34-35
    3.1.1 微弧氧化处理后的表面形貌  34
    3.1.2 复合处理后的表面形貌  34-35
  3.2 工艺参数对表面形貌的影响  35-40
    3.2.1 复合涂层表面形貌随加速电压的变化  36
    3.2.2 复合涂层表面形貌随束流强度的变化  36-37
    3.2.3 复合涂层表面形貌随脉冲次数的变化  37-38
    3.2.4 表面形貌沿束斑半径方向变化  38-39
    3.2.5 沿束斑半径方向成分分析  39-40
  3.3 表层 X-ray 分析  40-43
    3.3.1 原始物相分析  41-42
    3.3.2 微弧氧化处理后物相分析  42
    3.3.3 复合处理后物相分析  42-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章钛合金复合处理后性能的研究  44-59
  4.1 表面硬度分析  44-48
    4.1.1 复合涂层表面硬度随加速电压的变化  44-45
    4.1.2 复合涂层表面硬度随束流强度的变化  45-46
    4.1.3 复合涂层表面硬度随脉冲次数的变化  46-47
    4.1.4 复合涂层表面硬度随束斑径向的变化  47-48
  4.2 表面摩擦磨损性能分析  48-53
    4.2.1 试验设计及测试方法  48-49
    4.2.2 摩擦系数  49-50
    4.2.3 磨损质量和相对耐磨性  50-52
    4.2.4 磨损后的表面形貌  52-53
  4.3 表面耐腐蚀性能分析  53-57
    4.3.1 试验设计及测试方法  53-54
    4.3.2 极化曲线  54-56
    4.3.3 腐蚀后陶瓷层表面形貌的变化  56-57
  4.4 本章小结  57-59
结论  59-60
参考文献  60-65
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果  65-66
致谢  66-67

钛合金表面复合涂层的制备

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