典型钢氮化扩散与TC4表面涂层强化力学性能研究

作     者：王鼎 

作者单位：辽宁科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周艳文

授予年度：2023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：典型钢 钛合金 离子氮化 多层结构涂层 表面强化 

摘      要：作为典型的实际应用中需要表面强化的钢种及轻质合金,如316L不锈钢、M50模具钢、W6高速钢及TC4钛合金,离子氮化及涂层强化是其常用表面强化手段。本文采用热丝增强等离子体低温离子氮化与磁控溅射一体化技术对316L、M50和W6钢进行了低温表面离子氮化处理,通过对其化学成份、晶体结构和力学性能的差异分析,研究了氮元素在典型钢中的扩散机制行为,阐明了影响氮元素扩散的因素,并揭示了扩散机制。对TC4钛合金进行了表面沉积Ti金属层复合离子氮化、沉积了不同厚度调制比Ti/TiN及Ti（N）/TiN多层结构涂层。通过对TC4基体表面强化多层涂层厚度调制及软钛层离子氮化的设计,研究TC4钛合金表面多层涂层改性后的力学性能,阐明了软/硬层厚度与涂层形变的关联性,揭示了强化与失效机制。研究结果有助于离子氮化和涂层强化设计原则的建立,将为工业生产实际提供理论依据。（1）对于316L、M50和W6钢表面低温离子氮化:N原子优先扩散进入八面体间隙中,体心立方结构的钢含有的八面体间隙个数和尺寸大于面心立方结构钢,故M50钢和W6钢渗氮层厚度大于316L钢;316L钢中置换固溶元素Cr对N亲合力较大,阻碍N原子扩散;高含碳量加速了元素的合金化。经计算,在实验温度450℃下N原子在316L钢中所需的扩散激活能76.02 k ***远高于在M50钢和W6钢中的23.37 k ***和23.16 ***。（2）对于TC4钛合金表面沉积金属Ti复合离子氮化:Ti复合氮化的TC4钛合金表面纳米硬度及模量均提高,磨损率从基体的10mm·N·m降至10mm·N·m量级;随着靶电流增加,沉积速率加快,涂层更加疏松,利于N原子扩散,且有助于TiN相生成,涂层力学性能提高。（3）在TC4表面沉积厚度比不同的Ti/TiN及Ti（N）/TiN多层结构涂层及单层TiN:Ti及Ti（N）作为软连接层的多层结构抑制了TiN柱状晶的生长,细化了TiN晶柱尺寸;在受到正应力和切应力作用时,厚度调制比较高,即较厚的软Ti及Ti（N）层塑性变形严重,导致多层结构中的硬TiN层崩裂;厚度调制比低,软Ti及Ti（N）层塑性变形吸收了一定的外界功,界面应力降低,有效阻止了裂纹在硬TiN层中的扩展,提高了涂层强韧性;由于硬度和模量的匹配性,离子氮化的Ti（N）层比纯金属Ti层对多层结构的强韧化作用更强。