超声振动-电塑性效应耦合作用下钛合金表面微织构机理研究

Due to their low density, high strength ratio, good corrosion resistance and biocompatibility, titanium alloys are being widely used in aerospace, automobile and biomedicine industries. However, titanium alloys demonstrate poor tribological properties and often exhibit high and unstable friction coefficients. It affected the performance and service life of titanium alloy parts seriously. To improve the wear resistance ability of titanium alloy surface, a method for surface texture based on ultrasonic vibration and electroplastic effect will be proposed. Starting from the study on the dynamic evolution behavior of the microstructure, analyze the characteristics of the dislocation motion, grain deformation and intercrystalline failure under the coupling effect of high frequency cutting force and high density pulse electric current. The necessary conditions will be obtained for the tool cut into the grain and chip formation. The relationship between the morphology of the textured surface and the evolution of the microstructure will be revealed. A model for prediction the morphology of the textured surface considering the effect of tool geometry parameters, ultrasonic vibration parameters, pulse electric current parameters, and cutting parameters will be developed. The effect of the morphology of the textured surface on the performance of the textured surfaced will be analyzed. A theory for design the morphology of the textured surface based on its function will be proposed. The textured process parameters should be optimized based on the function of the textured surface. The support can be proposed for realizing precision and effective micro-texture of titanium alloy.

钛合金因具有密度低、比强度高、耐腐蚀及生物相容性好等优良性能，被广泛应用于航空航天、汽车、生物医学等领域。然而由于钛合金表面摩擦系数高且不稳定，导致其耐磨性差，严重影响了钛合金零部件的使用性能及寿命。为了改善钛合金表面的摩擦特性，本项目提出基于超声振动-电塑性效应耦合作用的钛合金表面微织构方法。从材料微观组织结构动态演化视角出发，研究高频切削力及高密度脉冲电流耦合作用下切削变形区位错运动、晶粒变形及晶界断裂的特点，获得刀具切入晶粒及切屑形成的必要条件。揭示微织构表面形貌与材料微观组织结构演化的映射机制。建立包含刀具几何参数、超声振动参数、脉冲电流参数及切削参数的微织构表面形貌预测模型。分析微织构表面形貌对微织构表面摩擦性能的影响规律，提出以微织构表面性能驱动的微织构表面形貌设计理论，以提高微织构表面摩擦性能为目标，优化表面微织构工艺参数，为实现钛合金表面的精密、高效微织构提供支持。

钛合金因具有密度低、比强度高、耐腐蚀及生物相容性好等优良性能，被广泛应用于航空航天、汽车、生物医学等领域。然而由于钛合金表面摩擦系数高且不稳定，导致其耐磨性差，严重影响了钛合金零部件的使用性能及寿命。由于微织构表面具有降低摩擦副的摩擦力、提高承载能力、增强耐磨性能等优点，为了提高钛合金表面的耐磨性有必要对其表面进行微织构。(1)本项目提出了一种基于超声振动-电塑性效应耦合作用的钛合金表面微织构方法。开展了基于超声-电塑性效应耦合作用的钛合金表面微织构实验研究，获得了微织构过程中的切削力及表面质量，结果表明与普通微织构相比基于超声-电塑性效应耦合作用的钛合金表面微织构在很大程度上降低了切削力、提高了工件表面质量。分析了超声振动振幅对切削力及表面质量的影响规律，结果表明随着振幅的增大切削力降低但表面质量无明显改善；研究了放电电压及放电频率对切削力及表面质量的影响，结果表明选取较大的放电电压及较高的放电频率，可降低切削力并获得较好的表面质量。(2)构建了包含刀具参数、切削参数及振动参数的钛合金微织构表面形貌理论模型，以此模型为基础建立了钛合金表面微织构仿真模型，并对基于超声-电塑性效应耦合作用钛合金表面微织构形貌进行了仿真，将仿真获得的微织构单元尺寸与实验获得的微织构单元尺寸进行比较，验证了仿真模型的正确性。分析了刀具参数、振动参数对微织构形貌的影响规律，获得了切削速度、进给速度对微织构排布的影响规律，为钛合金表面微织构形貌及排布的优化提供了依据。(3) 开展了钛合金微织构表面摩擦磨损性能实验研究，获得了不同微织构表面的摩擦系数及油膜厚度，分析了微织构表面几何形貌及其分布规律对钛合金表面摩擦磨损性能的影响。以提高微织构表面摩擦磨损性能为目标对微织构表面形貌进行了优化，确定了恰当的微织构加工工艺参数。(4) 本研究为钛合金表面微织构提供了一种新的方法，为实现钛合金表面的精密、高效微织构提供了支持。