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开题报告题目：表面涂层对 TC18 疲劳性能的影响01 毕业设计（论文）综述1.1 题目背景及研究意义钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因具有质轻、高强、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化学、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占重要的地位和作用。钛是金属王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛是继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。根据在钛中加入 稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为 、近 、+、近 和 合金。美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现在得到了广泛的应用 1。钛合金由于具有比强度高、耐温高、抗腐蚀能力强等优点，成为航空航天领域的重要结构材料，在化学工业、核工业、船舶等领域也得到了越来越广泛的应用。因而钛合金技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。在航空方面钛合金是飞机结构和飞机发动机的主要结构材料之一。TC18 钛合金是一种 稳定系数 K为 1.2 的高强度近 钛合金，该合金具有高强度、高塑性、淬透性好、可焊性好等优点，因而广泛应用于飞机的主要承力结构件和部件。该合金还具有用于制造 350400下长期工作的零件。TC18 可以在淬火和退火状态下使用，但通常在退火状态下。在应用中如果承受交变载荷，会产生疲劳损伤。对于材料疲劳性能的研究非常有限，所以有很必要对其进行研究。1.2 国内外研究现状TC18 钛合金是 20 世纪 60 年代末前苏联开发的一种高强钛合金 2,牌号为BT22，名义成分为 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。该合金过渡性 + 合金，兼有 + 钛合金和 钛合金和 钛合金的性能特性 3,具有变形塑性好、淬透性较高等优点，得到了广泛的应用 4,5。BT22 钛合金退火强度在 1080MPa 以上，是退火状态下强度最高的钛合金，该合金退火状态下的组织中具有数量大致相等的 相和 相。该合金退火后具有良好的焊接性能，可以采用多种焊接方式进行焊接，其最高工作温度为400 6。针对前苏联 BT22 钛合金仅局限应用在俄罗斯航空结构上，美国研究开发的一种新型近 钛合金 TIMETAL555 钛合金（又称 Ti-5553）名义成分 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr，是美国 Boeing 公司和俄罗斯 VSMPO 公司共同开发的 BT22 的改型合金。该合金具有高强、高韧及优异的高周疲劳性能和深的淬透性，主要应用于飞机襟翼导轨、挂架及起落架部件 7。3我国宝钛、宝钢、北京航空材料研究院等单位先后对 BT22 钛合金（国内牌号TC18）进行过不同锭型的研究。通过 J-11B 型飞机材料的国产化，已成功研制出BT22 合金 170mm 以下的棒材和中小型锻件，用于制造 J-11B 飞机起落架上下防扭力臂和半轮叉等零件 8。近年来我国在仿制某型航空发动机过程中又仿制了俄罗斯的 BT25(国内命名牌号为 TC25)，BT25 是前苏联 1971 年研制的马氏体型的 + 两相热强钛合金，合金里添加了高熔点的 Mo、W 大大提高了合金的热强性和耐热性，也提高了合金的工作寿命，BT25 合金在常温高温下均具有优异的力学性能，其使用温度可达 550，合金名义成分 Ti- 6.5Al-2Mo-1Zr-1Sn-1W-0.2Si。 BT25 合金可在适当的热变形条件热处理制度下(950970，1 h，空冷+530 570 ，6 h，空冷)可获得较为理想的综合性能 9。另外，我国在研究 TC18 钛合金的各项性能上也比较看重，例如，对 TC18 钛合金冲击缺口敏感性的研究 10，TC18 钛合金的组织和性能与热处理制度的关系的研究11， TC18 钛合金接触腐蚀与防护的研究 12等。并且，近年来表面涂层对 TC18 钛合金疲劳性能的影响作用也受到很多科学家的关注。1.3表面涂层技术随着科技的发展，人们越来越对工艺的进步有所新的成就，对材料的进一步强化已成了世界上比较重要的研究课题，从性能上，抗氧化，抗疲劳等人们都有了很大的成就。材料的表面改性是材料学研究中的一个重要课题，它对提高材料的使用性能，扩大材料的使用范围，实现材料功能复合等方面具有重要意义。表面涂层技术作为材料表面改性的重要手段能够制备各种特殊功能的涂层，用少量的材料可起到大量、昂贵的整体材料所难以起到的作用，同时又极大地降低了产品的加工成本。利用表面涂层技术赋予材料表面耐磨、耐蚀、耐热、耐疲劳、耐辐射以及光、热、电、磁等特殊功能，从而达到提高产品质量、延长使用寿命、节约能源的目的。表面涂层技术是获得显著技术经济效益的一种新的表面强化技术，是表面工程科学的重要组成部分 13。1.4 TC18 钛合金的应用TC18 钛合金因具有高强度、高塑性、淬透性好和可焊接等优点，广泛用于制造飞机结构零件。用 TC18 钛合金来替代 TC4 或高强钢，可使飞机减重 1520，且可通过热处理来获得高强度、高塑性与断裂韧性的合理匹配 14,所以 TC18 钛合金是1 种理想的航空结构材料，特别适用于制造大型锻件。TC18 钛合金在航空工业备受青睐并已引起了国内外的关注和研究，但目前为止对其表面强化方面的研究和报导甚少 15。1.5 疲劳试验4按破坏循环次数的高低，疲劳试验分为两类：高循环疲劳（高周疲劳）试验，对于此种试验，施加的循环应力水平较低；低循环疲劳（低周疲劳）试验，此时循环应力常超过材料的屈服极限，故通过控制应变实施加载。按材料性质划分有金属疲劳试验和非金属疲劳试验；按工作环境划分包括高温疲劳试验、热疲劳（由循环热应力引起）试验、腐蚀疲劳试验、微动摩擦疲劳试验、声疲劳（由噪声激励引起）试验、冲击疲劳试验、接触疲劳试验等 16。1.5.1 弯曲疲劳(1) 单向弯曲疲劳断裂像吊车悬臂之类的零件，在工作时承受单向弯曲负荷。承受脉动的单向弯曲应力的零件，其疲劳核心一般发生在受拉侧的表面上。疲劳核心一般为一个。载荷的大小、材料的性能及环境条件等对断口中疲劳区与瞬时断裂区的相对大小皆有影响。(2) 双向弯曲疲劳断裂某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用。零件在双向弯曲应力作用下产生的疲劳断裂，其疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面的内部。材料的性质、负荷大小、结构特征及环境因素等都对断口的形貌有影响，其趋势与单向弯曲疲劳断裂相同。(3) 旋转弯曲疲劳断裂许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。旋转弯曲疲劳断裂时，疲劳源区一般出现在表面，但无固定点。当轴的表面存在较大的应力集中时，可出现多个疲劳源。2 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 本课题研究的主要内容（1）对两组试样分别在旋转弯曲疲劳试验机上进行旋转弯曲疲劳试验。（2）绘制 S-N 曲线图，根据疲劳曲线分析表面涂层对疲劳寿命的影响。（3）对两组试样进行金相分析，分别观察两组试样的组织变化情况。（4）在扫描电镜下观察疲劳断口形貌，分析断裂机理。2.2 拟采用的试验方案、研究方法或措施2.2.1 研究方案（1）试样设计:试样的试验部分设计成圆柱形，夹持部分设计成圆柱形，试验部分圆柱形直径取 d=6mm,过渡圆弧半径取 d=18mm。（2）其中一组试样有涂层，然后将两组试样分别放在旋转弯曲疲劳试验机上进行试验，取应力比 R=0.1（ R=min/max），分别施加不同的应力。将两组试样分别取三级应力水平，每级应力各取 5 根试样，做旋转弯曲试验求寿命平均值。三级应5力分别为1=385MPa、 2=495MPa、 3=660MPa、 4=413MPa、 5=531MPa、 6=708MPa 试样断裂或记下寿命 N，疲劳极限取 N=107 周次。（3）根据疲劳应力与疲劳寿命绘制 S-N 曲线。（4）在扫描电镜下分别观察两组试样断口的形貌特征，分析断裂机理。（5）对断口进行金相分析，观察涂层对表面的组织有无影响。2.2.2 试验条件和技术条件根据本课题试验所需的试验设备有：弯曲疲劳试验机、扫描电镜、金相显微镜、试样抛光机。所提供的技术条件和试验条件可以保证本试验的正常进行。2.3 主要测量数据（1）材料的疲劳极限和寿命；（2）利用扫描电镜对断口形貌进行分析；（3）金相分析。3 本课题研究的重点及难点，前期已开展的工作3.1 本课题研究的重点及难点重点研究表面涂层对 TC18 疲劳性能的影响，采用弯曲疲劳试验的方式对试样进行试验，难点主要是疲劳试验加载应力的设计以及在后期的试验数据的分析和总结。3.2 前期已开展的工作前期的工作主要了解课题并进行文献查阅，制定实验方案，撰写开题报告。4 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）2013 学年第 15 周-第 17 周：查阅资料，了解课题，拟定开题报告；2013 学年第 18 周：开题答辩；2014 学年第 1 周-第 5 周：疲劳试验；2014 学年第 6 周-第 7 周：中期汇报检查；2014 学年第 7 周-第 8 周：断口及金相分析，分析实验结果并得出结论；2014 学年第 9 周-第 13 周：撰写毕业设计论文，毕业设计答辩。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 5所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日5参考文献1 訾群,钛合金研究新进展及应用现状J. 钛工业进展,2008,25(2):23-27.2 S.L.Nyakana. J.C.Fanning, R.R.Boyer, Quick reference guide for titanium alloys in the 00s,journal of Materials Engineering and Performance,14(6),799(2005).3 朱峰,计波,朱益藩,热处理工艺对 TC18 钛合金组织及性能影响J.稀有金属材料科学与工程,34（Suppl.3）,314(2005).4 曹春晓,钛合金在大型运输机上的应用J.稀有金属快报 .25(1),17(2006).5 盛险峰,丁志文,朱益藩.热变形量和热处理工艺对 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe 钛合金组织和性能的影响J.金属学报.35(Suppl.1).465(1999).6 Maddox S J. Fatigue of steel fillet welds hammer peened under load. Welding In the World, 1998, 41: 343-349.7 air Bruhis,et al.High performance mil-ling in aerospace materialC.Meeting the Continuous Challenges of Machining New Innovative Material. Amherst,2008.8 韩栋,张鹏省,毛小南等.BT22 钛合金及其大型锻件的研究进展J.材料导报,2010,24(2):12-13.9 张利军,薛祥义,常辉.我国航空用变形钛合金材料J. 中国材料进展 ,2012,31(8):12-1310 王春雨,席文君,TC18 钛合金冲击缺口敏感性研究.稀有金属材料与工程J.2012,41(4):2-311 官杰,刘建荣,雷家峰等.TC18 钛合金的组织和性能与热处理制度的关系J.材料研究学报,2009,2(2):21-2312 上官晓峰,张晓君.300M 钢与 TC18 钛合金接触腐蚀与防护J.西安工业大学学报,2013,33（6）.13 王小萍.表面涂层技术的发展.全面腐蚀控制,1996,21(02):8.1
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