基于TiNi合金的钛合金表面韧性耐磨改性层研究

本研究采用等离子表面合金化法在钛表面形成TiNi合金层。由于TiNi合金独特的伪弹性变形特性，此改性层具有良好的耐磨性并保持较高韧性。对合金化过程中的二元合金靶高温溅射行为进行深入研究，揭示高温下的溅射特征以及溅射粒子在等离子辉光放电环境中的输运规律；分析宏观控制参数对合金层形成动力学特征的影响规律，实现有效的成分控制；对合金化改性层进行表征和力学性能分析，运用有限元模拟法探讨改性层耐磨机理。在航空航天领域应用的钛合金通常要求具备较高的疲劳性能，大多数提高其表面耐磨性的改性技术依靠大幅度提高表面硬度的方法，在提高耐磨性的同时降低了抗冲击和疲劳性能，综合性能难以满足使用要求。TiNi合金改性层兼顾耐磨性与韧性，是一种新颖的钛合金表面改性途径，综合性能好，具有良好的应用前景。研究中涉及的高温二元溅射，磨损机理分析等内容是有特色和创新之处的工作，具有较高的学术价值和科学意义。

钛合金具有高的比强度，优异的耐蚀性及生物相容性等一系列优点。然而由于其硬度低、导热性差的本征特性，钛合金摩擦中易发热粘着，耐磨性差。由于大量的钛合金零部件工作在具有摩擦和微动磨损的条件下，因此通过表面改性处理改善其摩擦学行为是必需的环节。此外，在航空航天领域广泛应用的钛合金通常要求具备较高的疲劳性能，而大多数提高其表面耐磨性的改性技术依靠大幅度提高表面硬度的方法，在提高耐磨性的同时降低了抗冲击和疲劳性能，综合性能难以满足使用要求。因此迫切需要研发兼顾耐磨性及韧性的新型改性层。TiNi合金作为一种形状记忆合金广为人知，但近年来研究发现其具有良好的耐磨性，同时硬度适中，韧性较好，也是是一种极具潜力的新型耐磨材料。因此将TiNi合金作为常规钛合金的表面改性层是一种值得探讨的新思路。本研究采用等离子表面冶金技术在钛合金表面通过合金化获得TiNi表面合金层，系统研究宏观控制因素对合金层形成动力学特征的影响规律，得到优化的制备条件；对合金化改性层进行表征和性能分析，探讨改性层强化机理。研究结果表明：温度、时间、放电参数对合金层形成均有较大影响，在优化条件下制备得到的TiNi合金层均匀致密，与基体冶金结合。改性层硬度较基体提高一倍左右，XRD分析得到其主要强化相为Ti2Ni及TiNi。在滑动摩擦、微动摩擦及腐蚀摩擦条件下改性层耐磨性均得到显著改善，通过不同载荷、转速、温度等实验条件的变化对摩擦系数、磨损量及磨痕形貌等结果的影响，分析探讨了改性层的磨损机理。滑动摩擦中，随着载荷的加大，摩擦系数基本不变，而磨损量加大，磨损机制从磨粒磨损转变为粘着磨损；高温摩擦中磨粒磨损、粘着磨损及氧化磨损并存；在微动磨损试验中，合金层的摩擦系数随着微动频率、位移幅值、摩擦时间的增加而增加，以磨粒磨损为主要机制。摩擦配副材料对磨损机制也有显著影响，金属材料显示较大的粘着倾向，陶瓷材料则以磨粒磨损及微切削为主。此外，多冲试验中，改性层也显示出良好的韧性，以内聚性失效为主，结合强度较硬质薄膜有显著提高。总体来看，合金层的改性效果来自于其中TiNi相良好的综合性能及Ti2Ni相的强化效果。