十字轴是联结火箭箭体与发动机的传力组件,控制火箭在空中的飞行姿态,其常用材料是TC4钛合金和M50钢。由于钛合金摩擦磨损性能差,而M50钢耐腐蚀性能较差,两种材料在服役环境下分别容易发生磨损失效和腐蚀失效。基于上述背景,本论文采用离子注入技术,分别对TC4钛合金和M50钢进行表面改性处理,系统研究离子注入改性层的组织结构,评估改性层的摩擦磨损及电化学腐蚀性能,旨在提高钛合金的摩擦磨损性能及M50钢的抗电化学腐蚀性能,为进一步提高十字轴的使用寿命和航天火箭火箭发动机技术打下基础。针对两种十字轴材料,首先采用SRIM离子注入模拟仿真软件进行注入模拟计算,确定离子注入工艺参数,然后根据优化后的工艺进行离子注入。注入后采用XRD、SEM结合EDS观察分析离子注入层的相组成及显微组织结构;采用表面轮廓仪观察分析离子注入层的表面粗糙度;采用显微硬度计和纳米力学系统测试离子注入层的硬度分布;采用摩擦磨损试验机测试注入层的摩擦磨损性能;采用电化学工作站测试注入层的电化学腐蚀性能。对TC4钛合金进行离子注入改性处理后,表面形貌显示离子注入对试样表面缺陷有一定修复作用,造成表面粗糙度降低。XRD分析结果显示,离子注入造成材料表面大量晶格损伤,非晶化趋势增强并引起残余压应力的增加。力学性能测试结果显示,离子注入后的试样表面的显微硬度、纳米硬度和弹性模量均得到不同程度的提升。摩擦磨损性能测试结果表明,离子注入可以有效降低材料的摩擦系数和比磨损率,在注入层未被破坏前摩擦系数都能保持在0.1～0.2较低的范围内,离子注入后伴随着表面硬度的提升,使合金表面的抗粘着和抗磨粒磨损能力大大提高。综上研究表明,离子注入有效提高钛合金的耐磨性能。对M50钢进行离子注入改性处理后,表面形貌显示,离子注入后的试样表面划痕减少且变浅,表面粗糙度降低。XRD分析结果显示,离子注入造成材料表面大量晶格损伤,表面晶粒细化和非晶化趋势增强,注N试样表面出现Cr2N和Fe3N新相,起第二相粒子弥散强化作用。力学性能测试结果显示,离子注入后的试样表面的显微硬度、纳米硬度和弹性模量均得到不同程度的提升,由于N离子间隙固溶强化造成的晶格畸变大于Cr离子,使得注N试样相比于注Cr试样在提升材料表面硬度方面效果更加显著。摩擦磨损性能测试表明,离子注入后试样在高应力作用下仍能保持较低的摩擦系数。动态极化曲线测试结果显示,M50钢基体的自腐蚀电位为-0.496V,自腐蚀电流密度5.519×10-6A/cm2,注Cr试样和注N试样自腐蚀电位分别为为-0.403V和-0.450V,自腐蚀电流密度分别为4.403×10-6A/cm2、4.862×10-6A/cm2,与M50钢基体相比,注入层的自腐蚀电位显著正移,注入层的电化学腐蚀倾向显著降低,表明离子注入有效提高了M50钢的耐腐蚀性能。