渗Cr复合喷丸对TC4合金和2Cr13钢疲劳行为的影响

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1、国内图书分类号：TG174.4西北工业大学工学博士学位论文渗Cr复合喷丸对TC4合金和2Cr13钢疲劳行为的影响博士研究生：于首明导师：刘道新教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：航空学院答辩日期：2017年04月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TG174.4DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyEffectofCombinedPlasmaChromizingandShotPeeni

2、ngontheFatigueBehaviorofTC4Alloyand2Cr13SteelPh.D.Candidate：YUShoumingAdvisor：ProfessorLIUDaoxinDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：SchoolofAeronauticsDateofOralDefence：April，2017UniversityConferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要疲劳与磨损耦

3、合失效是威胁航空发动机和工业动力装置的重要隐患，特别是紧密配合连接结构接触面上的微动疲劳（FF）失效更是工业装备的“癌症”，同时涉及到疲劳、磨损和腐蚀（包括氧化）三大失效模式。等离子体表面合金化技术能够有效提高金属材料的耐磨和耐蚀性能，但却常常不利于抗疲劳性能；喷丸形变强化能够有效改善金属材料的抗疲劳性能，但是对耐磨性能的提高不够显著。为此，将等离子体表面合金化与喷丸强化复合成为解决微动疲劳等涉及疲劳、磨损及腐蚀耦合失效的重要技术途径。Cr是改善金属材料耐蚀、耐磨性能方面优势突出的合金化元素，然而有关离子渗Cr及其与喷丸强化复合处理对工业动力装置用钛合金及不锈

4、钢疲劳（包括微动疲劳）行为的研究工作尚较少开展，相关机理也不够清楚。此外，钛合金与不锈钢的晶体结构通常有较大区别，因此开展基体材料类型对表面合金化层组织及其抗疲劳性能影响规律及机理的研究也十分有意义。为此，本文选择常用的双相钛合金TC4和含Cr量较少的马氏体不锈钢2Cr13为材料对象，开展辉光离子渗Cr及其与喷丸强化复合处理对钛合金和不锈钢常规疲劳和微动疲劳行为的影响及机理研究。具体研究工作和取得的主要结果如下：（1）研究了TC4钛合金表面离子渗Cr层的形成过程与组织结构，结果表明，800℃下渗Cr处理4小时后获得的合金化层由四个子层构成：Cr沉积层、TiCr

5、2层、Ti4Cr层和Cr-Ti固溶层。Cr-Ti固溶层是由反应扩散中形成的（Ti,Cr）固溶体在随炉冷却到室温过程中发生相转变（Ti,Cr）→Ti4Cr+（Ti,Cr）而得到的。Cr-Ti固溶层的硬度沿层深方向逐渐增加（430HK～540HK），这一反常变化与软相Ti4Cr的析出量有关。离子渗Cr层的表面硬度较高（670HK），但韧性较差；而Cr-Ti固溶层则保留了良好的韧性。（2）对比研究了钛合金表面离子渗Cr试样和Cr-Ti固溶层试样（去除了Cr合金化层的前三个子层）的常规疲劳行为，结果发现，离子渗Cr使TC4钛合金的疲劳抗力显著降低，主要原因归于C

6、r合金化层的韧性差，且相邻子层的力学性能差异大，协调变形能力差，疲劳裂纹易在相界面处萌生；而韧性较好的Cr-Ti固溶层试样的疲劳抗力明显比离子渗Cr试样高，但仍低于TC4钛合金基材，原因归于渗Cr过程中的高温环境造成钛合金基体固有力学性能的退化。（3）离子渗Cr与喷丸后处理复合能够显著提升钛合金的常规疲劳抗力，效果大于钛合金基材单独喷丸处理，此归因于喷丸强化在离子渗Cr试样表层引入了数值大、分布深的残余压应力，有效延缓了疲劳裂纹的萌生和早期扩展。Cr-Ti固溶层试样与喷丸后处理复合，其疲劳抗力远高于离子渗Cr与喷丸强化复合处理试样，原因归于硬度稍高、韧性较好的

7、Cr-Ti固溶层形变强化潜力大，喷丸处理能够在试样表层引入数值较大、分布较深的残余压应力场。（4）对比研究了离子渗Cr和Cr-Ti固溶层及其与喷丸强化复合对TC4钛合金微动I西北工业大学博士学位论文疲劳行为的影响规律和机制，结果发现，对耐磨性能改善有限的Cr-Ti固溶层试样的微动疲劳抗力明显高于可显著提升耐磨性能的离子渗Cr试样，这表明一味提高耐磨性能而牺牲疲劳性能的表面处理并不能有效提高钛合金的微动疲劳抗力。Cr-Ti固溶层与喷丸复合处理试样的微动疲劳抗力明显高于离子渗Cr与喷丸复合处理试样，原因主要归于Cr-Ti固溶层形变强化潜力大，喷丸后可获得更有利的残

8、余压应力场分布。（5）为进一步提高Cr