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1、中圖分類號(hào)：TF125論文編號(hào)：102870617-B019學(xué)科分類號(hào)：080503博士學(xué)位論文TC4鈦合金表面機(jī)械合金化復(fù)合涂層的制備、組織控制及性能研究研究生姓名陳成學(xué)科、專業(yè)材料加工工程研究方向材料表面工程指導(dǎo)教師沈以赴教授南京航空航天大學(xué)研究生院材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二О一七年六月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandTechnologyResearchonFabrication,MicrostructureControllingandP
2、ropertiesofMechanicallyAlloyedCompositeCoatingsonTC4AlloyAThesisinMaterialsProcessingEngineeringbyChenChengAdvisedbyProf.ShenYifuSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyJune,2017南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文摘要機(jī)械合金化作為一種固相粉末加工技術(shù)已經(jīng)展示了其在制備各種合金、化合物、復(fù)合材料、納米材料以及非平衡材料等方面的能力。利用機(jī)械
3、合金化技術(shù)亦可將粉體材料直接涂覆于試樣表面制備涂層。機(jī)械合金化制備涂層是一種固相涂層制備技術(shù)，具有工藝簡單，能耗少，選材靈活等特點(diǎn)，可制備具有上述各種結(jié)構(gòu)的涂層，且特別適用于管、罐狀試樣內(nèi)壁的涂覆。基于上述優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械合金化在涂層制備方面具有較大的潛力。目前，對于機(jī)械合金化表面涂覆技術(shù)的研究較少，機(jī)械合金化過程中粉末、塊體材料的相互作用尚不明確。本文意圖采用機(jī)械合金化方法提高TC4鈦合金表面的耐磨性能及抗高溫氧化性能。一方面，豐富機(jī)械合金化表面涂覆的相關(guān)研究，以期為機(jī)械合金化表面涂覆工作提供理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。另一方面，為鈦合金的表面改性引入靈活的新方法，以期在鈦合金的常溫應(yīng)用以及高溫應(yīng)
4、用方面有所突破。本文采用機(jī)械合金化方法在TC4鈦合金基體表面分別以Al-Cr、Al-Si合金體系以及碳化物顆粒（B4C、TiC、SiC）增強(qiáng)Al基復(fù)合材料體系作為涂覆材料體系制備了復(fù)合涂層。在以Al-Cr、Al-Si合金體系制備涂層的研究中發(fā)現(xiàn)，提高粉末中Al的含量能有效提高涂層的致密度；在一定的球磨時(shí)間內(nèi)，隨著球磨時(shí)間的增加，涂層厚度增加，繼續(xù)增加球磨時(shí)間涂層厚度降低；球磨轉(zhuǎn)速的增加能提高涂層的厚度及粗糙度。采用顆粒度較小的原始脆性粉末能有效提高涂層的均勻度，采用攪拌摩擦加工方法能有效降低涂層的表面粗糙度。對涂層的退火處理能有效改善涂層中的應(yīng)力狀態(tài)，消除涂層內(nèi)應(yīng)力。Al-Cr涂層
5、在較高溫度下退火后會(huì)產(chǎn)生缺陷，不利于涂層性能的提高。Al-Si涂層在較高溫度下退火能促進(jìn)涂層與基體的擴(kuò)散獲得連續(xù)、致密的合金層。Al-Cr、Al-Si涂層均能提高基體表面的耐磨及抗高溫氧化性能，對涂層在800℃的退火處理能進(jìn)一步提高涂層性能。結(jié)合Al-Cr，Al-Si涂層的組織結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，分別制備了單層Al-Cr-Si涂層及雙層Al-Cr/Al-Si涂層。對比研究了兩種涂層的組織結(jié)構(gòu)及性能，初步探明了梯度涂覆涂層結(jié)構(gòu)、性能與工藝相關(guān)性。結(jié)果表明，單、雙層涂層均能在一定程度上提高基體表面的顯微硬度，其中單層涂層具有更高的表面硬度，而雙層涂層具有更穩(wěn)定的硬度分布。雙層涂層具有更好的
6、抗高溫氧化性能而單層涂層具有更優(yōu)異的耐磨性能。在碳化物顆粒（B4C、TiC、SiC）增強(qiáng)Al基復(fù)合涂層的研究中，發(fā)現(xiàn)隨著原始粉末顆粒度的降低，所獲得的涂層厚度、均勻度均增加。對涂層的退火處理能促進(jìn)形成一定厚度的Al3Ti金屬間化合物層。Al-B4C涂層退火形成較致密的陶瓷/金屬復(fù)合層，Al-SiC涂層及Al-TiC涂層在退火過程中均形成疏松結(jié)構(gòu)。對三種復(fù)合涂層的性能測試結(jié)果表明，Al-B4C涂層既可提高涂層表面的機(jī)械性能又能在高溫條件下保護(hù)基體。Al-TiC涂層具有較好的高溫防護(hù)性能。Al-SiCITi6Al4V合金表面機(jī)械合金化涂層組織控制及梯度涂覆工藝研究涂層可用于改善基體表面
7、的機(jī)械性能。本文還對機(jī)械合金化涂層沉積機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，機(jī)械表面涂覆過程是涂層沉積、剝落的動(dòng)態(tài)過程。在磨球作用下，塑性粉末顆粒逐漸粘附在塊狀基體表面，并在磨球的持續(xù)作用下與基體發(fā)生擴(kuò)散形成冷焊連接。此外，在磨球的剪切、摩擦作用下，涂層亦會(huì)剝落。機(jī)械合金化制備TC4鈦合金表面Al基復(fù)合涂層的過程主要包括緩慢沉積階段，迅速沉積階段，平衡階段及剝落階段四個(gè)階段。關(guān)鍵詞：TC4鈦合金，機(jī)械合金化，復(fù)合涂層，梯度涂覆工藝，摩擦磨損，高溫氧化II南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論
