纯钛纳米化离子渗氮复合表面减阻耐磨防护技术研究.doc

纯钛纳米化/离子渗氮复合表面减阻耐磨防护技术研究随着地球科学的发展,其研究空间不断拓展,逐渐形成“上天、入地、下海、登极”完整的研究体系。复杂多变的研究环境对钻探机具的安全性和可靠性提出了新的要求;钻具轻量化是应对复杂外太空研究环境的有效途径之一。但是,与传统钢质钻具相比,钛及其合金等轻质合金钻具较差的真空摩擦学性能极大程度限制了其应用。因此,本论文力图研发一种有效的表面强化方法以提升钛合金钻具在高真空环境下的减摩耐磨性能。本论文选取纯钛TA2为研究对象,采用表面纳米化（超声表面滚压）作为离子渗氮的预处理工艺,通过在TA2表面制备梯度纳米晶层来提升渗氮效率,降低渗氮温度。实验结果表明:（1）经超声表面滚压处理后,TA2表面形成了厚度约为200μm的梯度表面强化层;处理后表面平均晶粒尺寸细化至约为38nm;表面硬度由处理前的140HV_0.05提升到320HV_0.05;硬度的提升使得TA2在大气和真空环境下的耐磨性均明显改善;大气条件下,纳米晶强化层的形成有助于促进摩擦过程中的氧化反应;真空条件下,纳米晶强化层的形成能抑制磨痕表面塑性形变和黏着磨损的发生,使得痕表面平整洁净,最终导致超声表面滚压后TA2的平均摩擦系数明显降低。（2）离子渗氮后,TA2表面形成主要由TiN、Ti₂N和α-Ti（N）等硬质相组成的渗氮层;渗层的形成有效提高了TA2的表面硬度,且渗层的表面粗糙度、厚度和硬度随着渗氮温度的升高而增加,但其承载能力却随着渗氮温度的升高表现出先上升后下降的趋势;大气环境下,高硬度渗层能有效抑制氧化磨损和磨料磨损的发生,进而有效提升TA2的耐磨性,且随着渗氮温度升高,离子渗氮后TA2的耐磨性持续增强;真空环境下,渗氮层能阻碍金属与对磨副的直接接触,从而抑制黏着磨损的发生,形成平滑的磨痕表面,最终造成渗氮后纯钛TA2减摩耐磨性能显著提升;由于过高的渗氮温度造成的承载（抗裂纹）能力下降,因而,在渗氮温度为850℃时,渗层表现出最优的减摩耐磨性能。（3）超声表面滚压是一种有效的预处理工艺,它能有效提高离子渗氮效率和降低渗氮温度。预处理后,渗层的厚度、硬度及其氮化物相浓度均能显著增加;但是,由于晶粒二次长大,不利于真空摩擦学性能维持,因而,渗氮温度高于750℃时,复合处理后的TA2表现出较差的承载能力和耐磨性;对比研究发现,超声表面滚压能将TA2离子渗氮优化温度由850℃降低至750℃。