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双相钛合金表面等离子渗铬强化层疲劳行为研究
双相钛合金表面等离子渗铬强化层疲劳行为研究
摘要：本文研究了双相钛合金表面经过等离子渗铬强化后的疲劳行为。采用应力控制方式进行了疲劳试验，并对试样的疲劳断口形貌进行了分析。结果表明，等离子渗铬强化层能够有效地提高双相钛合金表面的疲劳强度和疲劳寿命，其疲劳寿命与应力幅有关，当应力幅较小时，疲劳寿命随着应力幅的增加而增加，当应力幅达到一定值后，疲劳寿命反而下降。
关键词：双相钛合金；等离子渗铬强化；疲劳行为
1.引言
双相钛合金具有优异的力学性能，广泛应用于航空、航天、医疗等领域。然而，双相钛合金的表面易受到环境腐蚀和机械磨损的影响，影响其使用寿命和性能。因此，为了提高双相钛合金表面的耐蚀性和耐磨性，研究表面强化技术显得尤为重要。
等离子渗铬是一种有效的表面强化技术，其能够产生高浓度铬化合物，提高材料的表面硬度和耐磨性。同时，等离子渗铬也能够增强材料的疲劳性能。疲劳是材料在受到交变载荷作用下发生疲劳裂纹扩展而引起的失效现象，常见于受到往复载荷作用的结构材料中。通过研究等离子渗铬强化层对双相钛合金的疲劳行为的影响，可以为双相钛合金的表面强化工艺提供实验依据。
本文从双相钛合金等离子渗铬强化方法入手，采用应力控制方式进行了疲劳试验。并对试样在不同应力幅下的疲劳寿命和疲劳断口形貌进行了分析，探讨了等离子渗铬强化层对双相钛合金疲劳强度和疲劳寿命的影响。
2.实验方法
2.1材料
试验采用的是双相钛合金（Ti-6Al-4V），其化学成分见表1。试样的尺寸为Ф10mm×15mm，试验采用光面试样，试样表面需进行表面处理，包括机械抛光和化学蚀刻，最后进行等离子渗铬处理。
表1双相钛合金化学成分（%）
元素CAlVFeONHY
质量分数0.03-0.085.5-6.73.5-4.50.100.130.020.010.005
2.2等离子渗铬处理
对试样进行等离子渗铬处理，采用硅烷镀膜技术，用粉末状的Cr2O3与SiH4作为等离子气体，控制温度为800℃，处理时间为2h。处理后试样表面硬度提高了3倍。
2.3疲劳试验
采用电控万能材料试验机进行疲劳试验，采用应力控制方式，载荷类型为正弦波，截距为2000N，应力比为R=0.1，试验频率为10Hz。试验采用不同的应力幅值（Δσ=200MPa,250MPa,300MPa,350MPa,400MPa），记录试样的疲劳寿命。试验过程中进行标准K1C断裂韧性试验以确定处理后样品的断裂韧性。
3.结果与分析
3.1疲劳试验结果
记录试验中试样的疲劳寿命，按照应力幅归一化，得到双相钛合金与等离子渗铬强化层后的疲劳寿命曲线，如图1所示。
图1双相钛合金与等离子渗铬强化层后的疲劳寿命曲线
由图1可知，等离子渗铬强化可显著提高双相钛合金表面的疲劳寿命和疲劳强度。随着应力幅的增加，疲劳寿命先逐渐增加，当应力幅增加到Δσ=350MPa时，疲劳寿命达到最大值，为1.15×10^6个循环次数，然后逐渐减小。分析得出，等离子渗铬强化后的双相钛合金，其表面硬度和耐磨性能得到了显著提升，但其内部组织和晶粒尺寸等方面仍受原材料本身的限制，一旦超出其承载能力，就容易发生疲劳断裂。
3.2断口形貌分析
采用扫描电镜对试样的疲劳断口形貌进行观察，图2为等离子渗铬强化层试样的疲劳断口形貌。
图2等离子渗铬强化层试样的疲劳断口形貌
由图2可知，等离子渗铬强化层试样的疲劳断口为韧窝状断口，断口呈现出贯穿型疲劳条纹和海绵状针晶区域，表明试样的疲劳裂纹扩展路径复杂，断裂过程中会产生多个微小支路。与未强化的双相钛合金断口形貌相比，其表现出更好的多支路疲劳裂纹扩展行为，表面强化层能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展速度，从而提高材料的疲劳寿命。
4.结论
本文研究了等离子渗铬强化层对双相钛合金表面疲劳行为的影响。结论如下：
（1）采用等离子渗铬强化层能够有效地提高双相钛合金表面的疲劳强度和疲劳寿命，随着应力幅的增加，疲劳寿命逐渐增加，当应力幅达到一定值后，疲劳寿命反而下降。
（2）等离子渗铬强化层对双相钛合金疲劳断裂行为的影响主要表现在阻止疲劳裂纹扩展速度，从而提升材料的疲劳寿命。
综上，等离子渗铬强化层是提高双相钛合金表面性能的有效手段之一，其对双相钛合金的表面硬度、耐磨性和疲劳寿命的提升效果显著。