钛及钛合金熔盐渗硼工艺及渗硼层性能研究

作     者：黄波 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙勇

授予年度：2016年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：熔盐渗硼 硼钛化合物 结合性能 摩擦性能 CeO2 

摘      要：钛及钛合金以其高的比强度、低密度、耐高温、对生物惰性和良好的机械性能、力学性能等优异的性能,已经在航空航天、石油化工、医疗、体育等领域广泛应用。但是钛及钛合金硬度低、耐磨性差的缺点,使其在相关领域,尤其是在接触摩擦磨损领域的应用受到限制。因此,提高钛及钛合金的硬度和耐磨性是当务之急。材料表面技术作为一种有效的手段,可明显改善硬度和耐磨性,以扩大钛及钛合金的应用领域,已成为新的研究热点。本课题采用熔盐法对工业领域应用广泛的纯钛TA2和钛合金TC4表面进行渗硼强化,渗硼剂主要由硼粉、硼砂和铝粉组成,在TA2和TC4基体材料表面制备渗硼层,同时在渗硼剂中添加稀土氧化物,以研究不同基体材料及稀土氧化物对渗硼的影响。渗硼层通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、波谱、纳米力学性能测试仪和摩擦磨损试验机等分析测试,研究渗硼层的界面形貌和组织结构、物相组成、纳米硬度分布、耐磨性和耐腐蚀性能。TA2和TC4在950℃C、1000℃C、1050℃C和1100℃C下分别渗硼5h、10h、20h和30h,研究结果表明：TA2表面制备出的渗硼层的主要物相为最外层连续均匀的TiB2相和次外层的晶须状、颗粒状的TiB相;当渗硼温度高于1050℃C时,主要生成TiB2相,低于1000℃时生成TiB2和TiB双相化合物。通过对渗硼层厚度测量得出,渗硼层的厚度随渗硼温度和时间发生变化,在同一渗硼温度下,渗硼层的厚度d与渗硼时间t符合关系式：d2=Kt,K的数量级为10-15,TC4表面渗硼层的厚度较TA2表面渗硼层稍有减小。渗硼层的硬度随渗硼层厚度成梯度分布,最外层硬度值最大,最高可达23GPa。摩擦磨损实验结果表明：TA2渗硼层的摩擦系数为0.36～0.38,略小于TA2基体材料的摩擦系数0.42,而TC4表面的渗硼层摩擦系数最小为0.30,小于TA2渗硼层的摩擦系数。渗硼层和基体的结合强度测试表明渗硼层与基体的结合强度较好,结合力最高可达64N。电化学测试结果可得出,渗硼样品在酸和盐溶液中的耐蚀性较基体有所增强。在渗硼剂中添加稀土氧化物Ce02,研究稀土氧化物对渗硼的影响。结果表明稀土原子可以减小形核半径,促进新相形核,从而细化渗硼层组织。稀土原子半径可变,当渗入基体后,可增加晶体的畸变能,同时为B原子的扩散提供更多通道,从而促进渗硼层中TiB相的生成。渗硼层性能测试结果表明,次外层TiB的纳米硬度变化趋势减缓,由于组织细化,渗硼层的耐磨性有所增强,渗硼层与基体的结合强度有所提高,同时耐蚀性能有所改善。