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TC11钛合金梯度纳米结构的制备与组织性能研究

TC11钛合金梯度纳米结构的制备与组织性能研究

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作者：武永丽河南科技大学

学位级别：硕士

钛合金由于密度低、比强度高、耐蚀及抗疲劳性能好等优点,被广泛应用于航空航天、海洋、石化等工业领域。但是,钛合金也存在表面硬度较低、耐磨性差、疲劳敏感性强等缺陷,且钛合金构件经常服役于苛刻复杂环境下,表面极容易损伤进而导致... 详细信息

钛合金由于密度低、比强度高、耐蚀及抗疲劳性能好等优点,被广泛应用于航空航天、海洋、石化等工业领域。但是,钛合金也存在表面硬度较低、耐磨性差、疲劳敏感性强等缺陷,且钛合金构件经常服役于苛刻复杂环境下,表面极容易损伤进而导致其使用寿命锐减。因此,寻求高效、经济环保的表面强化方法来改善构件的表面组织与结构对提高钛合金构件的使役性能来说至关重要。表面纳米化工艺是在构件表面制备梯度纳米结构来延长构件使用寿命的一种行之有效的表面强化方法。本文以片层组织的TC11钛合金为研究对象,借助超音速微粒轰击(SFPB)和激光冲击强化(LSP)两种表面纳米化工艺在其表面制备了梯度纳米结构;并利用扫描电子显微镜(SEM)、三维形貌仪、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线应力分析仪、显微硬度计、万能力学拉伸试验机等手段系统地研究了表面纳米化工艺对TC11钛合金的表面完整性、微观组织演变及力学性能的影响。通过改变SFPB冲击时间、气体压力及LSP脉冲能量等试验参数对TC11钛合金梯度纳米结构进行多尺度组织性能调控,优化出最佳组织与最优性能匹配的加工工艺参数,为钛合金在工业领域的应用提供重要的技术支持。TC11钛合金经SFPB和LSP处理后,表层均形成了梯度纳米结构。表层片层组织发生破碎,晶粒尺寸细化至纳米量级。纳米晶晶粒尺寸随着SFPB冲击时间的延长变化不大,而随着SFPB气体压力、LSP脉冲能量的增大而逐渐减小。TC11钛合金经SFPB处理后表面形成了蜂窝状的微凹坑,当冲击时间过长以及气体压力过大时表面形成了微裂纹,表面粗糙度随着冲击时间的延长呈现先降低、后增加又略微降低的趋势;而随着气体压力的增大,呈现逐渐增大的趋势。经LSP处理后,表面也形成了微裂纹,表面粗糙度随着脉冲能量的增大也逐渐增大。通过SFPB和LSP处理,TC11钛合金表层形成了残余压应力,表层显微硬度明显提高,硬化层深度随着SFPB冲击时间、气体压力以及LSP脉冲能量的增大而增加。两种表面纳米化工艺处理后均使强度明显提升,而伸长率变化不明显。随着SFPB冲击时间、气体压力以及LSP脉冲能量的增大强度值明显增大,但冲击时间过长以及气体压力过大时表面形成的微裂纹导致其强度降低。SFPB和LSP处理后断裂方式均由韧性断裂向韧-脆性混合断裂转变。

关键词：表面纳米化工艺 TC11钛合金梯度纳米结构微观组织演变力学性能

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