TC4钛合金空心阴极离子渗氮渗氧与摩擦、腐蚀性能研究

作     者：闫计文 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李杨

授予年度：2024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：等离子体渗氮、渗氧 钛合金 选区激光熔覆 第一性原理 

摘      要：钛合金由于其优异的机械性能,包括高强度、优越的韧性、出色的耐蚀能力以及耐高温特性,被认为是理想的耐腐蚀材料。钛合金较差的耐磨性,限制了其在船舶与海洋工程领域的应用。特别是用钛合金制造的潜水压力壳、螺旋桨和船用泵等部件,面对海水腐蚀和摩擦的影响,容易遭到破坏进而失效。鉴于传统钛合金材料的局限性,研究人员通过先进的表面工程技术,如等离子体表面改性,来优化钛合金的表面特性,进而提升其在复杂海洋环境中的整体性能表现。 本文利用空心阴极等离子体技术对SLM-TC4钛合金进行表面渗氮处理,并对铸造TC4样品进行表面渗氮（PN）、渗氧（PO）处理。利用XRD、TEM、HRTEM、纳米硬度、UMT-5摩擦磨损试验仪、三维白光干涉形貌测量、电化学工作站等分析测试手段研究了不同温度下钛合金的腐蚀和摩擦行为。此外,采用第一性原理方法,以密度泛函理论为基础,构建了腐蚀性Cl在TC4钛合金改性层（Ti N、Ti O）吸附模型,模拟研究了Cl在钛合金表面改性层上的吸附特性。该研究结果与电化学测试结果进行了相互印证,从原子尺度上阐明了钛合金在含有Cl的海洋环境中的耐蚀机制。研究结果表明: （1）分别在485℃、505℃、525℃、545℃下对SLM-TC4渗氮1 h。渗氮SLM-TC4表面形成的主要相为Ti N、TiN和α-Ti。其中,Ti N层由纳米晶Ti N最表面层和晶体Ti N次表面层组成。从实验条件方面分析得出,SLM-PN-545-1电化学性能和摩擦学性能最优,比未处理SLM样品分别降低二个数量级和三个数量级。 （2）在上述四个温度下对铸造TC4钛合金进行1 h的渗氮和渗氧。PN样品表面物相与渗氮SLM-TC4一致;PO样品表面相由稳定的Ti O和α-Ti相混合组成。PO样品的Icorr相对于PN样品低1至3个数量级。PN样品为典型的容抗弧。PO样品在高频为容抗弧,低频为Warburg。XPS结果表明,在电化学海水腐蚀实验过程中,PN样品的表面产生了新的物质,发生腐蚀。PO样品的表面未检测到新物质的生成。PO试样的抗腐蚀性能优于PN试样。 （3）探讨Cl在Ti N（200）晶面与Ti O（100）晶面上的吸附行为,通过计算表明Cl在Ti N表面更倾向于桥位的吸附,而在Ti O表面则更倾向于顶位的吸附。通过吸附能量的比较分析得知,Ti N表面对Cl的化学吸附能力强于Ti O表面。据此推论,在包含Cl的海洋腐蚀环境中,Ti N的耐蚀性较差。深入分析了Ti N与Ti O改性层的孔隙结构对其防腐性能的影响,研究结果指出,经过渗氮处理的PN-545-1样品具有较低的孔隙率（0.35%）,而经过氧化处理的PO-525-1样品表现出更低的孔隙率(5.986×10%),显示PO处理样品相比PN处理样品具有更佳的孔隙率特性。基于电化学测试与数值模拟的结果,在Cl介质中,以Ti O改性层更能有效抵御Cl腐蚀,其性能显著优于Ti N改性层。