XXX設計（XX）題目：激光表面復合合金化對鈦合金高溫性能的影響________________________英文題目：Theeffectoflasersurfacealloyingonhightemperaturepropertiesoftitaniumalloy學院：________________________專業：________________________姓名：________________________學號：________________________指導教師：________________________20XX年12月8日I目錄摘要 IAbstract IITOC\o"1-4"\h\u91081緒論 11.1激光復合合金化工藝的制定原理及方法 11.2激光表面合金化涂層組織特性與性能 21.3激光表面復合合金化國內外的發展現狀 41.4本課題研究的主要內容 513422激光表面合金化層的綜合分析 62.1激光合金化存在的問題 63激光合金化技術的發展前景及研究方向 7413753激光表面合金化層的物相結構與組織分析 95激光表面合金化層的抗高溫氧化性能分析 116激光表面合金化層的高溫摩擦學特性分析 136.1高溫摩擦學的定義 146.2高溫摩擦的背景 166.3高溫摩擦磨損實驗及試驗機 186.4影響高溫摩擦系數的因素 193776結論 2011997致謝 2111469參考文獻 221緒論由于機械工程的知識總量已經遠遠超越個人掌握所有，一些專業知識是必不可少的。但是過度的專業知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術的進步和整個塊的技術，提高外部條件變化的適應能力。封閉的專業知識的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協調困難，不利于自我提高。因此，自上世紀第二十年代末，出現了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬領域，對專業合并的分化。機械工程可以增加產量，提高勞動生產率，提高生產的經濟效益為目標，并研制和發展新的機械產品。在未來，新產品的開發，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環境污染作為一個超級經濟目標和任務。機器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務?，F代機械工程機械和機械設備創造出更多、更精美的越來越復雜，很多幻想成為過去的現實。人類現在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數十億光年的密切觀察，細胞和分子。電子計算機硬件和軟件，人類的新興科學已經開始加強，并部分代替人腦科學，這是人工智能。這一新的發展已經顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續創造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復雜的工作，從而促進手功能。又一方面實踐促進人腦智力。在人類的進化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進和平行進化。大腦和手之間的人工智能和機械工程的近似關系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機械制造。在過去，各種機械離不開人類的操作和控制，反應速度和運算精度的進化是非常緩慢的大腦和神經系統，人工智能將消除這種限制。相互促進，計算機科學和機械工程進展之間的平行，將在更高層次的新一輪發展的開始使機械工程。在第十九世紀，機械工程的知識總量仍然是有限的，大學在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學科，稱為土木工程，下半場的第十九個世紀成為一門獨立的學科。在第二十世紀，隨著機械工程和知識增長的發展開始分解，機械工程專業，有分支機構。在第二十世紀中期趨勢分解，在時間之前和之后的第二次世界大戰結束時達到的峰值。由于機械工程的知識總量已經遠遠從個人掌握所有，一些專業是必不可少的。但是過度的專業知識使分割，視野狹隘，可以查看和統籌大局和全球工程和技術交流，縮小范圍，新技術的進步和整個塊的技術，外部條件變化的適應能力差。封閉的專業知識的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協調困難，不利于自我提高。因此，自上世紀第二十年代末，出現了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬領域，對專業合并的分化。綜合職業分化和發展知識循環過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業和專業知識的專家，也有綜合的知識了解不夠，看看其他學科和項目作為一個整體，從而形成一種相互強烈的集體工作。綜合和專業水平。有機械工程全面而專業的沖突；在綜合性工程技術也有綜合和專業問題。在人類所有的知識，包括社會科學，自然科學和工程技術，有一個更高的水平，更廣泛的綜合性和專業性的問題。自70年代以來,我國開展了激光處理的研究,開發和應用。四十多年以來，我國的激光處理已取得了可喜的成績,有些研究成果已達到了國際領先水平。激光處理技術已在工業上取得了廣泛的應用。例如,西安內燃機配件廠1990年10月建成全國第一條缸套激光熱處理生產線,至1998年底已建成24條激光熱處理生產線,生產能力達到年產120萬只激光缸套;青島中發激光技術有限公司已開發生產了5種型號的激光強化機,據統計,該公司產品已在國內80家汽車大修廠、鏜缸磨軸廠、缸套廠、大專院校和科研院所使用,取得了明顯的經濟效益。激光熱處理主要包括激光硬化、激光合金化和激光熔覆。其中激光合金化和激光熔覆是在激光硬化的基礎上發展起來的新工藝,這二種方法均具有改變基材表面的組織能力,同時還具有改變基材表面成分的能力。這二種方法為在各類材料生成與母材結合良好的高性能(或特殊性能)的表層提供了有效途徑。目前,對激光合金化和激光熔覆兩種處理還沒有嚴格的定義和區別,一般認為母材表面成分改變相對較少的方法稱激光合金化,而對母材表面成分改變較大或熔覆一層與母材成分完全不同的表面層的方法稱激光熔覆。目前激光熔覆的主要應用是提高材料的耐磨性,在零部件的局部表面制備高耐磨的熔覆層;提高材料的耐腐蝕性,即在材料表面熔覆一層具有高耐腐蝕性的合金層;改變母材表面性能,形成一層具有特殊性能的表面層。如重慶大學在完成了奧氏體不銹鋼表面同步實現合成與涂覆工藝制備生物陶瓷基礎上,在比強度高,耐蝕性好、醫療用途更廣泛的鈦合金表面成功地實現激光束一步合成和涂覆Ca5(PO4)3#(OH)羥基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂層。該熔覆層具有優良的力學性能,也改善了植入材料彈性模量與生物模量及生物硬組織的匹配性。1.1激光復合合金化工藝的制定原理及方法(1)激光表面合金化選材原則

在選擇合金化材料時,首先應考慮合金化涂層的性能要求,其次要考慮合金化元素與母材金屬熔體間相互作用的特性,還要考慮表面合金層與母材冶金結合的牢固性,以及合金層的脆性、抗壓、抗彎曲等性能。在合金化組元的選擇上,既有Cr、Ni、W、Ti、Co、Mo等金屬元素,也有C、N、B、Si等非金屬元素,以及碳化物、氧化物、氮化物等難熔顆粒。

(2)激光合金化送粉方式

激光表面合金化過程中,合金化粉末的加入方式有:預置材料法、送粉法和激光氣體合金化。其中預置材料法當前應用較為廣泛;送粉法則易于實現自動化,能夠充分利用能量、氣孔率低、生產效率高,可以得到良好的表面合金層質量,具有廣闊的發展前景。激光合金化典型送粉方式如圖1所示。

1.2激光表面合金化涂層組織特性與性能激光表面合金化涂層組織特征與其具體工藝條件及溫度梯度與凝固速度之比有關。激光表面合金化過程中,溫度梯度、溶質濃度、晶體長大速度均隨時間變化,所以激光表面合金化涂層組織具有復合性特征,主要組織特征類型有三種:①平面晶→胞狀晶→胞狀樹枝晶→樹枝晶;②胞狀晶→胞狀樹枝晶→樹枝晶；③胞狀樹枝晶→樹枝晶。合金化涂層典型組織,如圖2所示。

當前研究認為,激光表面合金化涂層與基體材料呈良好的冶金結合,結合強度高,能夠顯著提高廉價基體材料的耐磨性、耐蝕性和耐腐蝕磨損性等性能,獲得了廣泛應用。

1.3激光表面復合合金化國內外的發展現狀鈦及鈦合金是20世紀50年代發展起來的一種重要的金屬材料，其主要特點是比強度高、耐腐蝕、中低溫性能好，同時還具有超導、記憶、儲氫等特殊性能，因此能在航空、化工、電力、醫療等領域獲得日益廣泛的應用，而且作為尖端科學技術材料，將具有強大的生命力。但是鈦及鈦合金表面硬度低，在滑動摩擦條件下摩擦力學性能差，特別是摩擦和磨損抗力相當低，嚴重限制了其應用范圍[1]。因此，在金屬構件性能滿足服役條件下，利用先進的表面技術對鈦合金進行改性處理，賦予金屬表面高硬度、高耐磨損和良好的耐腐蝕性能是解決此類問題的有效途徑。鈦及鈦合金的激光表面改性技術是目前國內外材料領域的研究熱點之一。鈦及鈦合金的激光表面改性技術大致可以分為激光表面合金化法、激光熔敷法和激光表面重熔法[2]。激光表面固體粉末合金化是采用激光將待處理材料表面加熱，基材與外加合金元素粉末一起熔化混合，形成熔池，隨后迅速凝固，在基材表面形成新的合金層。激光熔敷法是用不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經過激光輻射使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨性、耐熱性、耐蝕性、抗氧化性等的工藝方法。1.4本課題研究的主要內容本次設計的題目是激光表面復合合金化對鈦合金高溫性能的影響，其具體包括以下內容：（1）激光表面合金化層的物相結構與組織分析。（2）激光表面合金化層的抗高溫氧化性能分析。（3）激光表面合金化層的高溫摩擦學特性分析。13422激光表面合金化層的綜合分析2.1激光合金化存在的問題大功率激光加工設備的穩定性和配套性尚未達到工業生產應用水平激光合金化需要大功率或大面積光斑技術(聚焦法、寬帶法及轉鏡法),但當激光輸出功率一定時,光斑面積越大,功率密度越低。光束直徑的增大,將使功率密度以平方關系下降。為了保持激光的高能密度和超快速加熱特征,當激光輸出功率為Zkw時,光斑的最大理論面積只能為ZommZ,當輸出功率為skw時,光斑最大面積只能為50mm2。若采用寬帶掃描裝置,光束由圓形變成矩形時,雖一次掃描的面積增大了,但它是以顯著降低掃描速度為前提的,且光束的光學特性欠佳。因此大面積光斑技術是有局限性的。若采用大功率技術就有一個激光器的功率穩定性問題。合金化工藝和理論研究尚不成熟與相變強化相比,激光合金化的研究尚不深入,工藝的重現性和可信度不大,實驗結果往往難以相互引用,這些問題除繼續深入探討外,尚可尋求其它的工藝方法,如在適當氣氛中通過激光束熔化基體表面實現合金化處理。合金元素可以滲入較深的表面。表面粗糙度主要取決于樣品原始粗糙度、成分、氣流速度及噴咀角度,既能控制表面平整度又能強化表層性能?；w材料對合金粉末的選擇性選擇合金化粉末時,除了考慮所需要的性能(如合金層硬度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化性能等)外,還必須考慮在激光作用下合金化材料進入金屬表面時的行為及其與基體金屬熔體的相互作用特征,即它們溶解形成化合物的可能性、浸潤性、線膨脹系數和比容等,以保證滿意的合金化效果。一般要求合金化層與基體達到冶金結合,以提高其結合強度,以及合金層的韌性、抗壓、抗彎曲等性能。激光合金化的合金材料的選擇,不僅要考慮表面性能,還須考慮合金化區的表面及內在質量以及合金材料的利用率、來源及價格等。組織不均勻性合金化組織不均勻性有三個方面:一是合金化熔池內的組織不均勻性,在其橫截面內出現組織梯度;二是熔池內的宏觀組織不均勻性;三是大面積合金化的搭接區。激光合金化區組織梯度是指在激光合金化的同一熔池內,由于合金熔池整個截面內存在溫度梯度和晶體長大速度的差異,則使最終的激光合金化組織不是單一的凝固組織,而是一種復合性的凝固組織,即沿合金熔池的深度方向出現不同的凝固組織區域。3激光合金化技術的發展前景及研究方向近年來在工業實踐中,盡管傳統的表面強化技術有了重大發展和新的突破,但可精確控制的高能激光表面強化技術顯示出較大的生命力,在金屬表面進行各種物理、冶金強化方面,在石油、化工、電力、運輸、紡織機械等方面,在開發超高性能激光應用復合生產中有效利用激光的控制性、靈活性的生產系統有著廣闊前景。隨著數千瓦乃至萬瓦級大功率激光器的成熟穩定,組合鏡或轉鏡的不斷完善,隨著大面積合金化工藝的規范化,隨著冶金學、金屬材料研究方法與激光強化技術的結合,有可能對材質和性能的最優化組合以及金屬材料的研究與生產產生重要影響。

4激光表面合金化層的物相結構與組織分析需要對激光表面合金化層的物相結構與組織進行分析，就要求我們掌握以下幾點：熟悉X射線衍射儀的基本結構和工作原理?；緦W會樣品測試過程。掌握利用衍射圖進行物相分析的方法?；菊莆绽醚苌鋱D進行物質結構分析的方法

晶體的X射線衍射圖譜是對晶體微觀結構精細的形象變換，每種晶體結構與其X射線衍，射圖之間有著一一對應的關系，任何一種晶態物質都有自己獨特的X射線衍射圖，而且不會因為與其它物質混合在一起而發生變化，這就是X射線衍射法進行物相分析的依據。其X射線衍射圖譜如下圖所示：任何一種粉末衍射技術都要求樣品是十分細小的粉末顆粒，使試樣在受光照的體積中有足夠多數目的晶粒。因為只有這樣，才能滿足獲得正確的粉末衍射圖譜數據的條件：即試樣受光照體積中晶粒的取向是完全機遇的。粉末衍射儀要求樣品試片的表面是十分平整的平面。將被測樣品在研缽中研至200-300目。將中間有淺槽的樣品板擦干凈，粉末樣品放入淺槽中，用另一個樣品板壓一下，樣品壓平且和樣品板相平。塊狀樣品制備X光線照射面一定要磨平，大小能放入樣品板孔，樣品拋光面朝向毛玻璃面，用橡皮泥從后面把樣品粘牢，注意勿讓橡皮泥暴露在X射線下，以免引起不必要干擾。樣品掃描在newprogram中編好測試程序開始采集數據在HighScore中處理譜圖。

用HighScore軟件處理譜圖，與PDF標準卡片對照，得到樣品為TiO2銳鈦礦和TiO2金紅石。利用全譜擬合方法（WPPF)對譜圖進行處理后，得到TiO2銳鈦礦的含量是50.1％，TiO2金紅石的含量是49.9％。利用軟件處理譜圖后得到兩種TiO2晶體的晶體結構數據，并根據晶格常數判斷出晶胞的晶系結果。對于樣品的物相分析是準確的，所有的峰都與PDF標準卡片中TiO2銳鈦礦和○TiO2金紅石的峰相重疊，雖然在強度上略微有所不同，但考慮到儀器和操作填料的差異，這是在誤差允許范圍內的。對于樣品的定量分析，○同一天的兩組同學測得的結果如表3所示，從表3中我們可以看出，對于同一份樣品，兩組同學的測量結果略微有些差異。這些差異主要來自于研磨的程度不同、裝填樣品的凹凸程度和平滑程度不同，但差異是在誤差允許范圍的，具體如下圖所示：5激光表面合金化層的抗高溫氧化性能分析1金屬氧化的過程

高溫氧化是金屬化學腐蝕的一種特殊形式。金屬氧化首先從金屬表面吸附氧分子開始,高溫即氧分子分解為氧原子被金屬表面所吸附,并在金屬晶格內擴散、吸附或溶解。而當金屬和氧的親和力較大,且當氧在晶格內溶解度達到飽和時,則在金屬表面上進行氧化物的成核與長大。

金屬表面一旦形成了氧化膜,其氧化過程的繼續進行將取決于以下兩個因素：界面反應速度。這包括金屬/氧化物界面及氧化物/氣體界面上的反應速度。

(2)參加反應的物質通過氧化膜的擴散速度。它包括濃度梯度化學位引起的擴散,也包括電位梯度電位差引起的遷移擴散。這兩個因素控制進一步氧化的速度。在一般情況下,當金屬的表面與氧開始反應生成極薄的氧化膜時,界面反應起主導作用,即界面反應是氧化膜生長的控制因素。但隨著氧化膜的生長增厚,擴散過程將逐漸起著越來越重要的作用,成為繼續氧化的控制因素。

如果在合金表面上能生成保護性極強的合金元素氧化物,或者能在基體金屬氧化物的底部生成合金元素的氧化物相,則可有效地阻止基體金屬的氧化。選作這種用途的合金元素應具有下述三方面的基本特性。

為了滿足這一條件,合金元素應具有以下特性:

應符合Pilling-Bedworth原理原理,即合金元素氧化物的體積與該合金元素的體積之比(V′/V)應大于1。合金元素的氧化物應具有高的電阻,以便有效地阻止金屬離子的擴散。

合金元素的離子半徑應小于基體金屬的離子半徑。為使合金元素的氧化物能在金屬表面優先形成,并且在氧化條件下不會被基體金屬還原,必須選擇其氧化物的生成吉布斯自由能比基體金屬氧化物的生成吉布斯自由能更小的合金元素。這是保證保護膜產生和穩定存在的必須滿足的熱力學條件。為保證合金元素的氧化膜在高溫下穩定存在,合金元素的氧化膜必須有低的分解壓、高的熔點和升華點,以免在高溫下分解、揮發或成為液體而喪失其保護性。當然這些氧化物也不應與其他合金組元的氧化物生成低熔混合物。因此,凡其氧化物在高溫下易于揮發(如Mo)和熔融(如B)的元素,都不宜于用作合金化元素。

6激光表面合金化層的高溫摩擦學特性分析6.1高溫摩擦學的定義兩個在接觸狀態下作相對運動的物體，因接觸而阻礙相對運動，并使運動速度減慢，這種現象稱之為摩擦。物體表面互相摩擦時，材料自該表面逐漸損失的過程稱之為磨損。摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的結果。摩擦學是研究相對運動的相互作用表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關系的基礎理論和實踐的一門邊緣學科。高溫摩擦，顧名思義是在高溫工作下的摩擦磨損現象。高溫工作條件下，高溫和氧化加速了磨損。6.2高溫摩擦的背景一些較為常見的高溫工作環境，如燃燒爐中的爐篦；沸騰爐中的管壁；各種機械的發動機、內燃機；高速工作中的底盤、齒輪等傳動系統；夏季工作下的輪胎、傳動膠帶；這些都會產生高溫摩擦磨損現象。相比于常溫條件下，材料在高溫條件下產生摩擦磨損，使材料產生更多的消耗和使用壽命劇烈地減少，而且這些類高溫摩擦情況較為普遍，消耗更為嚴重，因而我們迫切地需要提高材料的高溫耐磨性，以減少高溫工作條件下的摩擦磨損。一方面伴隨著現代航空、航天等高新技術的發展，陶瓷材料的廣泛應用，材料高溫性能和高溫潤滑要求更高，另一方面隨著石油燃料價格的上漲，發動機的經濟性越來越受到重視。低能耗、少排放、高推進比的先進絕熱發動機逐漸出現在人們的視野中。自1974年研究絕熱發動機以來，英國、美國、日本等國家先后投入巨資對其進行研究，以期實現絕熱發動機在軍用和民用上的巨大價值。

6.3高溫摩擦磨損實驗及試驗機高溫摩擦磨損實驗需要用到的試驗機有X射線衍射儀(XRD)掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、磨損試驗機等都可用于實驗測試分析。磨損實驗類型分為實物實驗和實驗室試驗。試樣實驗常用的磨損試驗機有銷盤式試驗機，上試樣為銷，下試樣為旋轉的圓盤，主要用于與礦石、砂石等固體材料發生磨損情況下金屬材料的耐磨性能實驗，如MPX-200型和ML-10型；環快式試驗機上試樣為平面塊狀，下試樣為環狀，主要用來做各種潤滑油和脂在滑動摩擦狀態下的承荷能力和摩擦特性的實驗，如MHK-500型；雙環式試驗機上下試樣均為圓環狀，主要用來測定金屬和非金屬材料在滑動摩擦、滾動摩擦、滑動和滾動復合摩擦或間歇摩擦情況下的磨損量，如MM-100型和MM-200型；往復式試驗機上試樣在下試樣上作往復運動，主要用于評定往復運動機件如導軌、缸套與活塞環等摩擦副的耐磨性，如MS-3型；四球式試驗機試樣為四個大小相同的鋼球，主要用于評定潤滑劑承載能力，如MQ-12型。MG-200型高速高溫摩擦磨損試驗機，可在高溫、常溫和有液體介質的情況下作金屬或非金屬材料的耐磨性試驗和測定摩擦系數。試樣接觸形式可為盤銷式、雙環式、環快式等。目前大多數做高溫摩擦磨損試驗的多用點接觸式的試驗機。具體的實驗機的圖片分別如下圖所示：X射線衍射儀掃描電子顯微鏡能譜儀磨損試驗機6.4影響高溫摩擦系數的因素在試驗范圍內熱軋鋼/熱軋鋼摩擦副的高溫摩擦系數隨時間的延長呈增長趨勢,增長趨勢的快慢與試驗參數有關,高速時的高溫摩擦系數明顯低于低速時的高溫摩擦系數;大量氧化鐵磨屑的產生是造成熱軋鋼/熱軋鋼摩擦副高溫摩擦系數上下波動的主要原因。分別對CrAlN、AlTiN、TiAlN、CrN和AlN五種PVD氮化物涂層在200℃~700℃的高溫摩擦磨損特性及機理進行了研究,結果表明，由于摩擦溫升,涂層氧化更易發生,盡管涂層的輕微氧化可以提高耐磨性,但氧化加劇卻可以造成涂層的最終失效。實驗還表明，溫度、試驗速度、載荷等都會對材料的高溫摩擦系數產生影響?？偨Y得出材料的高溫摩擦系數主要是由溫度、試驗速度、實驗載荷這三種因素影響的，其次還受摩擦里程和摩擦系統介質等因素的影響。高溫摩擦圖解如下圖所示;結論到如今，畢業設計總算接近尾聲了，通過這次設計，使我們充分把握的設計方法和步驟，不僅復習所學的知識，而且還獲得新的經驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設計，會遇到不清楚的作業，老師和學生都能給予及時的指導，確保設計進度。本設計完成了老師和同學的幫助下，在大學研究的最感謝幫助過我的老師和同學，是大家的幫助才使我的論文得以通過。致謝在論文完成之際，我首先向我的導師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導師在學業上嚴格要求，精心指導，在生活上給了我無微不至的關懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學業階段的學業的同時，也學到了很多做人的道理，明確了人生目標。導師嚴謹的治學態度，淵博的學識，實事求是的作風，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發，必將終生受益。經過近半年努力的設計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現。四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。參考文獻[1]汝強.