粉末冶金钛合金表面纳米复合强化及摩擦磨损机理研究

Titanium alloy is considered to be attractive new material since its high specific strength and good corrosion resistance. However, the titanium alloy also has some limitation , such as high manufacturing costs and bad wear resistance. This project will produce a kind of PM titanium alloy using the HDH titanium powders by the CIP and vacuum sintering processes and obtain the nano-structured layer by the surface mechanical grinding treatment using a novel and efficient machine tool with a hemispherical tip. Furthermore, surface carburization will be given to the titanium alloy to produce a wear-resistant PM titanium alloy. We will focus on the following aspects: the mechanism of surface self-nanocrystallization on the PM titanium alloy with different original phases; the effect of carburization on the gradient nano-structured layer; the existence form of carbon and the distribution of strengthening phase in the nano-structured layer; the wear behavior of the PM titanium alloy after duplex surface strengthening. Through the above researches, this project will help to achieve the influence rules of titanium alloy with different kinds of phases on the duplex surface strengthening; how carburization works with the nano-structured layer for the wear-resistant layer; the wear mechanism of the PM titanium after duplex strengthening. Finally, this project will help optimize the parameters of duplex strengthening process and create the preparation prototype for the new wear-resistant PM titanium using the duplex surface strengthening treatments.

钛合金因具有比强度高和耐蚀性好等优点而受到广泛关注，但也存在制造成本偏高和耐磨性能不佳等问题。本项目拟以氢化脱氢钛粉为主要原料采用冷等静压和真空烧结工艺制备粉末冶金钛合金，并利用半球形碾具对其进行表面机械碾磨实现表面自纳米化后再进行渗碳处理，制备出表面纳米复合强化的耐磨钛合金材料。主要研究内容包括：不同组织钛合金的自纳米化机制；渗碳强化对粉末钛合金表面梯度纳米结构的影响；碳元素在钛合金表面纳米结构中的存在形式和强化相的分布，以及复合强化工艺处理后粉末钛合金的摩擦磨损行为。通过上述研究，获得不同钛合金原始组织对表面复合强化的影响规律；渗碳与表面纳米梯度结构的复合强化机理；阐明不同表面纳米复合强化下钛合金的摩擦磨损机制。最终实现对粉末钛合金的表面纳米复合强化工艺的优化设计，形成耐磨粉末冶金钛合金表面复合增强材料的制备技术原型。

钛合金因具有比强度高和耐蚀性好等优点而受到广泛关注，但也存在制造成本偏高和耐磨性能不佳等问题。本项目采用氢化脱氢钛粉为主要原料采用冷等静压和真空烧结工艺制备粉末冶金钛合金，并利用半球形碾具对其进行表面机械碾磨（SMGT）实现钛合金表面组织的自纳米化后，再进行低温渗碳处理，制备出了表面纳米复合强化的耐磨钛合金材料。本项目成功制备了钛合金表面纳米晶组织，研究了不同SMGT 工艺参数对钛合金表面纳米梯度结构的影响；并对不同工艺条件下的钛合金表面微观组织进行了表征和分析，初步确定粉末冶金钛合金的表面自纳米化形成机制可能是位错塞积形成位错墙，并成为亚晶界，最终形成细小的纳米、微米晶。开展了对不同的SMGT处理后的钛合金进行表面低温固态渗碳的研究，并对其表面的渗碳层微观组织和碳元素的分布进行了分析和表征，发现渗碳气氛中氧含量的控制非常关键，当氧含量达到一定程度后，钛合金表面易形成一层氧化物层，在一定程度上将阻碍碳原子的渗入和强化效果。本项目还针对不同SMGT+渗碳的复合强化工艺的钛合金表面进行了显微硬度测试和往复式摩擦磨损试验，研究了其摩擦行为和摩擦磨损机制。通过本项目的研究，实现了对粉末钛合金的表面纳米复合强化工艺的优化设计，初步获得了一种制备耐磨粉末冶金钛合金表面复合增强材料的新技术。