李云华开题报告.doc

二一三届毕业设计开 题 报 告学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 姓 名： 李云华 学 号： 3102090319 指导教师： 邢 亚 哲 完成时间： 2013年 月 日 长安大学毕业设计（论文）开题报告表课题名称 TC4无氢渗碳过程中碳扩散行为研究课题来源 自选项目课题类型 专题研究指导教师 邢亚哲学生姓名 李云华学 号 3102090319专 业材料成型及控制工程 1、 课题的背景和意义： 钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐热性能强，疲劳强度高以及在海水和多种电解质溶液中抗腐蚀能力强的特点，在高温或低温条件下的力学性能良好，而且某些钛合金还具有记忆、超导、储氢等特殊功能。因此，钛及钛合金成为重要的结构材料，又是新兴的功能材料，目前已广泛应用于航天、石油、原子能、船舶制造和医疗设备等高新技术领域中，并已成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料。但是，钛合金也有如下缺点：硬度低，纯钛的硬度为150HV-200HV, Ti-6Al-4V合金的显微硬度不超过430HV。在很多情况下这样的硬度值不能满足实际生产应用的要求。耐磨性能差。室温下为六方结构，c/a=1.588，比理想值1.633小很多，导致1010面更容易滑移，所以更容易发生粘着磨损。钛合金的低摩擦学属性可以归因于两个主要因素：一是低塑性剪切抗力和低加工硬化率；而是表面氧化物的保护作用低。一般情况下由于钛及钛合金表面生产一层致密的氧化膜起到了防腐蚀的作用，但是在氧化膜破裂或者更加恶劣的环境以及发生缝隙腐蚀的情况下钛合金的耐腐蚀性能也将大大降低。这些缺点限制了钛合金的应用泛围。为此，采用表面技术改善其使用性能就成为重要的研究课题。Ti-6Al-4V合金优异的力学性能和良好的加工能力使其成为钛合金中产量最大、应用领域最广的钛合金。但该合金摩擦系数高、耐磨性差是其致命缺点。特别是对粘着磨损具有高度的敏感性，是其重要的磨损失效形式之一。虽然在摩擦副表面添加润滑剂可以减轻Ti-6Al-4V合金的粘着磨损，但对于承受高载荷、并在滑动表面产生高温、高压则会促使较薄的润滑膜分解。在这种情况或不合适采用润滑剂的场合，如何提高Ti-6Al-4V合金的抗粘着磨损能力是一个急需解决的问题。目前，提高钛合金表面耐磨性的方法主要有渗碳、渗氮、渗金属等，它们都是通过提高钛合金表面硬度而使耐磨性提高的。渗碳处理是一种应用广泛的表面硬化热处理技术，传统的气体渗碳法存在着因产生晶界氧化物而形成渗碳异常层，使表面硬度和疲劳强度下降；渗碳速度慢，处理时间长，能源消耗大；难以实现高浓度渗碳和深层渗碳等缺点。真空渗碳虽可以改善表面质量，但处理时间长、处理温度高。随着现代热处理技术的迅速发展，人们期待着一种更加先进的渗碳技术的出现。离子渗碳技术就是在这种背景下应运而生的。渗碳处理相对于其他渗层而言，制备工艺简单而且经济，已广泛的应用于钢铁材料，但目前常用的气体渗碳法、真空渗碳法和等离子渗碳等工艺均涉及氢元素，在渗碳的同时氢元素将渗入基体而导致氢脆，严重影响钛合金制件的渗碳质量。为此，本课题利用离子无氢渗碳技术对钛合金表面进行无氢渗碳，在合金表面形成无氢元素的渗碳改性层，表征渗碳层微观组织结构，研究不同工艺条件下渗碳层微观组织结构的形成机制，从而改善钛合金的机械性能。2、 国内外发展状况及趋势： （1）国内外发展状况：国外钛及其合金加工的主要企业是美国Timet公司、RMI公司、俄罗斯的VSMPO 公司, 日本的神户制钢和住友公司, 他们代表了世界钛及其合金加工材生产技术的最高水平。1978年，美国通用汽车公司的Grube等人利用真空辉光放电原理进行了离子渗碳实验。结果表明，在同一温度下处理时，离子渗碳的渗碳速度要比真空渗碳快得多。其后，Staines等人对纯铁的离子渗碳实验结果表明，在很短的处理时间内，试样表面的碳浓度就可以达到渗碳温度下的奥氏体固溶限，说明这种技术不但可以实现快速渗碳，而且可以进行高浓度渗碳。进入80年代后，这种与辉光离子渗氮原理相同，但起步却晚得多的离子渗碳技术，在设备研制、加热方式、处理气体选择等方面都取得了长足发展，很快达到了实际应用水平。进入90年代以来，离子渗碳的应用领域进一步扩大，不但在汽车、飞机用齿轮及船用大型传动齿轮上，而且在锻造用工模具上也得到了应用。其处理材料也由一般低合金钢发展到高合金钢、合金材料、粉末冶金材料的处理上7。我国几乎与国际上大规模开发离子渗碳技术同步。进行了设备研制和工艺试验。以湖北建工学院，江西汽车齿轮箱厂分别于1975,1977年发表研究成果为开端。十多年来我国研制出约10台有辅助热源和具有一定生产能力的离子渗碳炉。工艺上也有一定突破，取得工业应用成果。 (2)发展趋势：美国、欧洲和俄罗斯的钛加工材主要用于大型民航客机、军用飞机、航天火箭、导弹、舰船、装甲火炮、电力、化工、汽车等领域。其典型产品为飞机结构件、钛制动机件、压气机叶片和基座、水翼、螺旋桨及轴、支架、浮球、鱼雷发射装置、高压气瓶和全钛冷凝器等。在新型钛合金方面，他们开发了600的高温钛合金，英国的IMI834 合金、美国的Ti-1100 钛合金；高强钛合金，如美国的Ti-1023、Ti-15-3、2lS 等；阻燃钛合金AlloyC、Ti-35V-15Cr、TiA1合金及低成本钛合金，如美国Ti-4.5Fe 6.8Mo-1.5Al等。日本钛工业的民用技术走在了世界前列，如有经济指标最优的海绵钛企业，有亦钢亦钛的大卷重钛带生产线。其民用钛制品遍及化工、石化、建筑、冶金、医疗( 人体植入件、轮椅等)、交通( 汽车、摩托车)、体育( 高尔夫球具、网球拍、渔具、钓鱼船等)、日用电子产品( 照相机、手表、复印机、打字机、手机、手提电脑等)、炊具( 刀、叉、锅、铲等) 各个门类8。民用航空工业是金属钛的主要消费部门。据国外有权威的机构估计，现在全球的金属钛年产量在5 6 万吨之间。民用航空工业的用钛量占40，工业应用占34，军事工业占16，日常消费品的用钛量占10。据报道，工业用钛的领域包括化学工业、电力工业、能源工业、石油和天然气工业、海水淡化等方面。军工用钛，除了飞机制造外，还包括装甲车、战车。还有汽车制造、建筑、运动器材、器械和首饰品也是使用钛的行业。2002 年以来钛的一些新兴市场，如汽车和石油、天然气都表现出温和增长的迹象。就长期来看，汽车业将是钛应用的一个更有保证的竞争领域。钛也正被用于滨海石油和天然气开发应用中。高端消费品，如高尔夫球杆和网球拍都已是一个成熟的环节。钛的另一热点是在生物医学部门，医药市场需求不像其它市场呈现出大起大落的周期性，由于社会老龄化问题，医药市场每年正以5 7的速度增长，钛在医药市场中具有广阔的应用发展前景。这些新兴市场的钛消费量在2001 年为6000 吨，2006年增加到10000 吨。2007 年，国际市场对钛合金产品的需求继续大幅增长，航空领域将成为未来几年国际市场的主要应用领域. 航空航天、“两碱一盐”、石化、电力、海洋石油、舰船以及体育休闲等钛产品主要应用市场将继续保持旺盛需求，同时计算机等新的钛需求增长点也在不断涌现，并呈上升趋势。据日本先进材料公司预测，到2010年，世界钛加工材市场将扩大到120000 吨，海绵钛的需求将达到150000 160000 吨9因此要求钛合金处理设备方面向高能、高速度发展；材料方面向系列化、标准化、商业化方向发展，以保证多功能高质量的需要；工艺方面向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械手操作等。当今，钛合金无氢渗碳技术在国民经济各领域里都得到广泛应用，推广应用前景广阔。3、 本课题的研究内容、方法、手段及预期成果： 1 研究内容：本次毕业设计针对Ti-6Al-4V合金进行研究，采用辉光离子渗碳技术，使材料表面得到渗碳层，运用XRD、OM、SEM等手段对渗碳层组织、结构进行表征，结合热力学及扩散理论分析研究渗碳工艺参数对渗碳层形成过程的影响。主要研究内容如下：（1）Ti-6Al-4V合金离子渗碳处理后表面改性层表面相结构分析；（2）Ti-6Al-4V合金表面等离子渗碳层的形成分析。 2 研究方法：（1）选用钛合金为基体材料，利用线切割加工成8mm8mm12mm的样品,碳棒为渗碳源，通过调节渗碳炉参数，在不同温度（900、950、1000）和时间（1h、2h、3h，4h）的条件下制备渗碳层。（2）利用XRD分析各渗层表面的物相，利用光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）分别分析各渗层表面和断面的微观结构，并对其形成机制和成分进行分析，通过各种检测手段，比较各条件下试样表面等离子渗碳中存在的元素及含量，分析表面等离子渗碳层的形成规律。 3研究手段： 我的论文为TC4无氢渗碳过程中碳扩散行为，我首先对无氢渗碳过程进行全面的学习。重点学习跟本次论文有关的形成机制和无氢渗碳过程中碳扩散行为过程。在学习过程中，除了应用一些教材书籍，还有就是精读一些相关文献，此外就是网络图书馆上的一些资源。 对所查询的资料进行归纳总结，找出最重要的影响因素；对所精读文献中的实际TC4无氢渗碳结构照片进行分析。然后展开具体假设、分析和计算。 在老师的指导下，构建无氢渗碳微观结构模型，具体分析渗碳温度和渗碳时间对 TC4无氢渗碳过程中碳扩散行为的影响。用离子无氢渗碳技术对钛合金表面进行无氢渗碳,在合金表面形成无氢元素的渗碳改性层,表征渗碳层微观组织结构，结合经典的扩散理论分析渗碳层微观组织结构的形成。 4预期成果： 通过分析得到渗碳层主要相组成。 通过分析知道渗碳温度和渗碳时间对 TC4无氢渗碳过程中碳扩散行为的影响。 通过分析得出TC4无氢渗碳过程中碳扩散行为。4、 任务完成阶段安排及时间安排：序号 设计（论文）各阶段名称 日期（教学周）一、 查资料 第1、2、3周二 确定方案 第4周三 写开题报告 第5周四 准备实验材料及仪器 第6周五 渗层的制备 第7周六 结构表征 第8、9周七 数据整理及分析 第10、11、12周八 写论文 第13、14周九 修改论文 第15周十 答辩 第16周5、 完成任务所具备的条件因素： 1. 利用离子无氢渗碳技术对钛合金表面进行无氢渗碳2.利用扫描电镜（SEM）分别分析渗碳微观结构，并对其形成机制进行探讨，建立渗碳层结构模型。6、 参考文献：1 C.莱茵斯 M.皮特尔斯，钛与钛合金 M.北京：化学工业出版社，2005.1:6-9.2 张利梅，钛表面耐磨处理技术J.钛工业进展，2001,2:22-23.3 王红波, 离子渗氮渗硫复合处理对Ti-6Al-4V合金摩擦学性能的影响, 长安大学硕士学位论文D.2009.4 张喜艳，赵永庆，白晨光，钛合金及应用M.北京：化学工业出版社，2005:6-15.5 石玉峰，江河，刘振球，钛技术与应用M.陕西：陕西科学技术出版社，1990.8:67-89.6 潘邻，表面改性热处理技术与应用 M.北京：机械工业出版社，2005.10.7 徐滨士，朱绍华.表面工程的理论与技术M.北京：国防工业出版社，1999:41-51.8 韩立民，张勇，离子渗碳与碳氮共渗J.材料研究学报，1995 9（2）.9 宫波，氢致钛和钛合金的相变组织转变及其应用.东北工学院，博士论文，1992.9.10 潘俊德，陈飞，张高会等，钛合金表面加弧辉光离子无氢渗碳的研究J.大学学报（自然科学版）,2002,24:137-140.11 Taek-Soo Kim. Charac terization of Ti-6Al-4V Alloy Modified by Plasma Carbonizing Process J. Materials Science&Engineering A361(2003):275-280.12 张高会，张平则，钛合金双辉无氢渗碳中等离子体输运过程分析J.电子工艺技术,2007.9.13 K.A.Khor.Microstructure and Mechanical Properties of Plasma Sprayed HA/YSZ/Ti-6Al-4V Composite CoatingsJ.Biomaterials 25(2004):4009-4017. 14 李争显，周慧，杜继红，钛合金表面辉光无氢渗碳的研究J.稀有金属材料与工程，2004.12.15 张高会，张平则，葛洪良，钛合金双层辉光放电离子无氢渗碳制备工艺研究J.材料热处理学报，2007.8.16L.-J. Wang, Y.-Z. Xing, H.-B. Wang. J.-M. Hao, Effect of nitriding-sulfurizing composite treatment on the tribological behavior of titanium alloys, Rare Metals, 29 (2010) 604-607.17L.-J. Wang, J.-S. Yang, Y.-Z. Xing, Friction and Wear Properties of Ti-6Al-4V Surface Modified by Ni