钛合金等离子表面合金化与形变强化协同抗微动疲劳的机制研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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钛合金等离子表面合金化与形变强化协同抗微动疲劳的机制研究

项目名称：钛合金等离子表面合金化与形变强化协同抗微动疲劳的机制研究
项目类别：面上项目
批准号：51171154
申请代码：E011002
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2012-01-01-2015-12-31

项目负责人：刘道新
依托单位：西北工业大学
批准年度：2011

中文摘要：

等离子表面合金化（PSA）能够显著提高金属材料表面硬度和耐磨性能，但多因韧性低而难以用于磨损与疲劳共存的服役环境，微动疲劳（FF）即为一典型工况。本项目以FF的控制为应用背景，根据FF对表面强度与韧性及其配合的具体要求，选择附加值高且对FF敏感的钛合金为基材，借鉴整体合金强韧化理论，选择强韧化有效且适用于PSA的元素，对钛合金进行表面合金化，以喷丸（SP）形变强化为后处理进一步提高合金化层的疲劳抗力，解决FF控制中抗磨和抗疲劳的矛盾，在表面合金化层抗疲劳和高载荷FF控制上取得新进展。研究梯度分布合金化层的强韧性评价方法，揭示钛合金PSA层固有强韧性能的控制因素，指导合金化层设计。研究PSA与SP复合中的交互作用机理及其在控制FF行为中的协同机制，探讨表面改性钛合金的FF理论模型，以指导抗FF性能的改进。研究成果既对FF控制有重要意义，也对接触疲劳、冲击疲劳、固体粒子冲蚀等的控制有重要价值。

中文主题词：钛合金；等离子体表面合金化；喷丸形变强化；微动疲劳；强韧性

英文摘要：

Titanium alloy；Surface allloying；Shot peening；Fretting fatigue；Strength and toughness

英文主题词： Titanium alloy；Surface allloying；Shot peening；Fretting fatigue；Strength and toughness

结论摘要：

微动（Fretting）是由于接触表面间发生微小位移幅度运动的现象，微动疲劳（FF）是承受循环载荷的构件表面同时存在微小位移幅度的磨损（即微动磨损（FW））作用，由此导致构件疲劳抗力显著降低的现象。提高金属材料FF抗力的难点在于抗磨和提高疲劳强度的措施往往是矛盾的。等离子表面合金化（PSA）通常能够显著提高金属材料表面硬度和耐磨性能，但多因韧性低而难以用于磨损与疲劳共存的服役环境，因此单独采用PSA表面工程技术方法控制FF损伤往往达不到预期的效果。本项目以FF的控制为工程应用背景，根据FF对表面强度与韧性及其配合的具体要求，选择附加值高且对FF敏感的钛合金为基材，借鉴整体合金强韧化理论，选择强韧化有效且适用于PSA处理的典型元素（Mo、Zr、N、Cr等），对钛合金进行了表面等离子体合金化改性处理，以喷丸（SP）形变强化为后处理进一步改善PSA层的表观韧性，提高了PSA层的疲劳抗力和耐磨性能，解决了FF控制中抗磨和抗疲劳的矛盾，在金属材料表面合金化层抗疲劳和高载荷FF控制上取得了新进展。研究发现钛合金表面PSA层固有强韧性能主要受渗入元素与钛合金基体中钛元素电负性的相容性、固溶度大小及晶格结构的一致性等重要因素控制，并与等离子体合金化工艺参数造成的PSA层及钛合金基材组织结构及应力状态有直接关系；合理参数的SP后处理能够引入分布有利的表面残余压应力场，并对PSA层组织产生有益的调控作用，因而可有效提高PSA层的表观韧性；良好的PSA改性层的强化效应有利于获得较高的SP后处理表面残余压应力，且能够缓解其松弛过程，因而有助于延缓FF裂纹的萌生和早期扩展过程；此外，PSA与SP有机复合能够有效改善钛合金表面的耐磨和减摩性能。由于上述因素的协同作用，因此PSA与SP后处理有机复合能够达到显著提高钛合金抗FF性能的目的。探讨了PSA改性层及其与SP复合改性层的FF行为，澄清了组织强化因素和压应力强韧化因素对FF抗力的作用机制，揭示了利用PSA与SP复合处理有效控制FF行为的机理。建立了PSA改性层的强韧性能合理评价方法，并用于指导了抗FF改性层的设计；同时建立了表面改性钛合金FF数值模型，用该模型预测的喷丸形变强化钛合金FF寿命与试验结果取得了良好的一致性。本项目研究结果达到了申请书的预期目标，所取得的研究成果既对FF控制有重要的意义，也对接触疲劳、多冲疲劳、固体粒子冲蚀等的控

成果综合统计