钛合金表面梯度改性层接触疲劳磨损行为及其对应组织演化

以提高钛合金表面承载能力为主要目标，在合金表面制备成分梯度分布的改性层。借助纳米压入技术，针对改性层横截面的各个子层进行测试和反演分析，获得了梯度合金层每个子层的弹塑性性能参数；建立一种可准确描述表面接触载荷作用下的表面梯度材料体系内部应力-应变状态分布的算法模型，结合相关接触疲劳、磨损、物相及失效分析，研究改性层在长期表面承载条件下的组织结构及其相关性能的演化规律，确定内在成因，澄清其中的交互作用，并给出具有明确力学及物理含义的定量或半定量表述。通过表面梯度合金层在典型接触工况下的组织结构及相关性能的过程探究，动态考虑表面改性体系的服役失效过程及其原因，确定表面梯度合金层的承载性能指标，研究结果将可为钛合金及其他低表面接触抗力材料的改性层设计提供思路，并用于指导工程实际。

利用等离子表面合金化技术，在纯Ti表面制备了Mo渗/镀复合改性层，对其表面及横截面进行了纳米压入测试，并对改性前后的纯Ti基体也进行了对比纳米压入测试。考虑纳米压入测试尺寸效应的情况下，利用反演分析方案II求解了Mo改性层的塑性性能参数。由Mo改性层的弹塑性性能参数可知，经过等离子表面合金化处理，Ti表面的硬度及弹性模量大幅升高，但依然保有较好的塑性性能指标。表面渗/镀复合改性层，不但具备表面完全改性，而且由于成分梯度分布的中间扩散层的存在，使其在钛及不锈钢等软基材表面承载过程中具备较单一匀质涂层更好的协调变形性能。也正是由于中间梯度扩散层的存在，使渗镀复合改性层力学性能的表征远较匀质改性层复杂。本研究项目借助纳米压入、微米压入、小能量多冲测试并结合有限元模拟，对渗镀复合改性层的弹塑性性能参数及典型静、动态接触载荷下的变形及失效行为进行初步分析。此外，项目组针对钛合金、不锈钢基材及处理表面改性的组织结构、性能、腐蚀性能以及生化特性开展了研究。项目研究结果，可为渗/镀复合改性层的设计及其应用提供理论参考。