钛合金表面阴极微弧液相碳氮共渗工艺的研究

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摘要采用等离子体电解阴极微弧液相碳氮共渗对钛合金（TC4）表面进行强化处理，在由甲酰胺（HCONH¬2）、水和无机盐（KCl）以20：4：1组成的电解液中，研究了电参数（电压、占空比和频率）及处理时间对样品表面膜层组织及硬度的影响。实验结果表明：处理后的样品表面生成Ti（C,N）膜，提高电压，频率和占空比均有利于Ti（C,N）膜的生长，增加处理时间同样有助于生成Ti（C,N）膜。较佳的实验条件是：电压350V，占空比40%，频率2000Hz，时间50min，处理后样品表面膜层厚度为48μm，硬度为1299HV0.025，硬化层深为100μm。67249

毕业论文关键词：等离子体电解碳氮共渗；钛合金；Ti（C,N）膜；显微硬度

毕业设计论文外文摘要

Title Research of the cathodic plasma electrolytic carbonitriding of Titanium alloy

Abstract：

Cathodic micro-arc plasma electrolytic carbonitriding was used to modify the surface properties of titanium alloy(TC4). The proportion of carboxamide(HCONH2)、water and inorganic salts was maintained on 20:4:1 in this study. The effect of the electrical parameters (voltage, the duty cycle and frequency) and the processing time on microstructure and hardness of the sample were researched. The experimental results showed that Ti(C,N) layer formed on the surface of the treated sample, the increase of voltage, frequency and, duty cycle and processing time could have an active effect on the growth of Ti(C,N) layer. The optimized technic parameters were acquired with applied voltage of 350 V, the duty cycle of 40%, the pulse frequency of 2000 Hz and the processing time of 50min. Ander these parameters, the thickness of Ti(C,N) layer could reach 48μm, with the hardness of 1299HV0.025, and depth of the hardened layer beneath the Ti(C,N) layer reached about 100μm.

Key words: plasma electrolytic carbonitriding; titanium alloy; Ti(C,N) layer; microhardnes

1 引言 1

1.1 选题意义 1

1.2 等离子体电解沉积 1

1.3 课题研究内容 6

2 实验研究方法 7

2.1 实验装置 7

2.2 实验材料及预处理 7

2.3 电参数及处理时间的选择 8

2.4 实验结果分析方法 8

3 实验结果分析与讨论 10

3.1 实验开始前工艺方案的制定 10

3.2 钛合金表面阴极微弧液相碳氮共渗后的物相分析 12

3.3 电参数及处理时间对钛合金表面Ti(C,N)膜的影响 13

3.4 直流电源对试样的处理结果 20

3.5 钛合金表面Ti(C,N)膜硬度分析 22

结论 25

致谢 26

参考文献 27

1 引言

1.1 选题意义

当今21世纪是科学水平快速发展的时代，在航空航天、核反应堆等众多尖端工业或科研领域内，对Ti及其合金的应用越来越广泛，而这些领域对金属材料的耐高温、耐腐蚀、乃磨损、抗断裂、耐疲劳以及低密度等性能都有极为严格的要求[1-2]。

Ti及其合金由于比强度高、耐腐蚀性强、生物相容性好等优点而在工业及科研领域得到了广泛的应用，但是Ti及其合金存在硬度低、耐磨性差的缺点，同时一般的热处理工艺对它们硬度的提高微乎其微，所以根据表面强化概念，在钛合金表面复合Ti（C,N）膜（包括TiC，TiN和Ti（CxN1-x））[3-6]来改善其硬度及耐磨性已成为多数科研工作者的主要研究方向。

目前可以在钛合金表面制备Ti（C,N）膜的技术主要包括气相沉积、离子注入和气体扩散技术等。但是采用沉积技术生成的膜层与基体之间存在较为明显分界面，膜层结合强度比较低，膜层内部有较高的残余应力存在，并且残余应力随膜层厚度增加而增大，导致膜层厚度的生长受到制约，特别是沉积于钛合金软金属上的Ti（C,N）膜，当其厚度大于3-5μm时就会发生剥落[7]。采用离子注入技术在钛合金表面制备的膜层一般少于1-2μm，因此承载能力非常低，镀覆在钛合金软基体上的薄膜容易因压塌而导致失效[8]。虽然采用扩散技术能够获得界面结合良好的碳氮化钛层，但温度是影响扩散过程最重要的因素，要想获得厚的碳氮化钛层，就需要经高温、长时间处理。虽然超高温下的碳氮共渗和真空等离子碳氮化能够形成30μm左右的碳氮化物层，但由于处理温度的过高会导致钛合金晶粒长大，其力学性能被严重恶化[9]。而相对于气相沉积、离子注入和气体扩散技术来说，等离子体电解阴极微弧碳氮化则可以实现常温下在试样表面获得较厚且与基体结合牢固的多孔纳米Ti（C，N）膜，且使基体钛合金处于一个较低的温度范围而不恶化其力学性能，有效的解决了钛合金表面合成Ti（C，N）膜的技术在膜增厚-强结合性-基体性能退化方面的不可协调性。