【摘 要】
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钛及钛合金具有密度低、强度高、耐蚀性好等优点,被广泛应用于汽车工业、船舶制造、航空航天等领域。近年来,钛合金作为热端运动部件在发动机活塞的制造方面发展前景巨大。由于活塞在高温高压、高速运转等环境下工作,所以对钛合金的耐高温性、抗疲劳性能提出了更高的要求。TC11钛合金长期暴露在500℃以上空气中,表面会产生氧化层,基体还会因为氧的溶解形成富氧层,严重影响了材料的力学性能尤其是耐疲劳性能。而表面改性
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钛及钛合金具有密度低、强度高、耐蚀性好等优点,被广泛应用于汽车工业、船舶制造、航空航天等领域。近年来,钛合金作为热端运动部件在发动机活塞的制造方面发展前景巨大。由于活塞在高温高压、高速运转等环境下工作,所以对钛合金的耐高温性、抗疲劳性能提出了更高的要求。TC11钛合金长期暴露在500℃以上空气中,表面会产生氧化层,基体还会因为氧的溶解形成富氧层,严重影响了材料的力学性能尤其是耐疲劳性能。而表面改性方法能够有效改善合金表层组织,提高其力学性能。喷丸强化表面改性技术可以细化表层晶粒,引入残余压应力,有效提高运动部件的耐疲劳能力,延迟疲劳裂纹的萌生和扩展。本论文将TC11钛合金作为研究对象,探究了合金在100～700℃下的高温氧化行为;探究了喷丸强化对TC11钛合金的组织及性能影响机制。采用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）,探究TC11钛合金高温氧化膜的组织形貌及喷丸强化对合金基体的组织形貌影响。采用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子衍射仪（XPS）、能谱分析仪（EDS）,研究合金高温氧化膜的物相组成及元素分布规律。采用残余应力分析仪、显微维氏硬度仪、疲劳试验机表征喷丸前后TC11钛合金的表面残余应力、显微硬度以及疲劳性能。研究发现,当氧化温度在100～400℃之间时,TC11钛合金的氧化倾向比较小;当氧化温度超过500℃时,合金的氧化倾向非常大。当氧化温度为500℃、600℃时,合金的氧化行为符合直线-抛物线规律;当氧化温度为700℃时,合金的氧化行为符合抛物线规律。TC11钛合金的原始组织是由等轴状及长直的片状密排六方结构α相和针状、条状的体心立方结构β相组成。氧化初期,氧化先在α/β相界处和α相边缘处发生,在合金表面形成连续、完整的氧化膜之后,随着合金继续氧化,高温氧化膜成分及结构发生了变化。500℃时,TC11钛合金中合金元素Al表现出选择性氧化,氧化膜主要成分为α-Al2O3;温度在600℃以上时,氧化膜层中Al在氧化膜浅表层富集,外层为α-Al2O3和Ti O2的混合层,内层为金红石型Ti O2层;900℃时,混合层中较为疏松的Ti O2生长至氧化膜最表层,而内层Ti O2层的内部出现了多个线条状的α-Al2O3。氧化时间足够长时,合金截面出现高温氧化膜-元素扩散层-基体的结构,α相的扩散能力要强于β相,使得扩散层中β相富集在靠近基体的一侧。合金经过喷丸强化之后,材料沿弹丸冲击方向组织出现了四种梯度过渡区,分别是微纳米结构区、高密度平行位错区、发散形位错区、低密度位错区。其中,微纳米结构区（约0～20μm）表现出比喷丸强化前基体更高密度的位错塞积和亚晶界。高密度平行位错区（20～80μm）存在高密度平行的位错线,出现平行的滑移和位错增殖结构。发散形位错区（80～140μm）表现出以应力中心点呈发散状分布的位错线,并在晶粒中沿不同相传播。低密度位错区（140～200μm）则表现出较低密度且无明显取向、弥散分布的位错。随着喷丸压力的增大,尺寸较大的片状、等轴状α相和尺寸较小的条状、片层状分布的β相组织细化程度逐渐变高,并且α相的变形程度要高于β相。随着喷丸直径的增大,各相的变形程度有所降低,但喷丸直径的影响程度不如喷丸压力。合金表面的残余压应力随喷丸压力的增大而增大,随喷丸直径的增大有所减小。喷丸强化提高了合金表层硬度,并且在同样的加载应力下,TC11钛合金的疲劳周次提高了77.9%。喷丸强化对TC11钛合金氧化行为的影响主要集中在氧化前期,加速了合金中Ti向试样表面的扩散形成富Ti氧化层,在氧化中后期对合金氧化行为的影响较小。
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