激光表面復(fù)合合金化對(duì)鈦合金高溫性能的影響論文

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 ： 激光表面復(fù)合合金化對(duì)鈦合金高溫性能的影響 _ 英文題目： of on of 院： _ 專 業(yè)： _ 姓 名： _ 學(xué) 號(hào)： _ 指導(dǎo)教師 ： _ 2015年 12月 8日 要 金是國際上一種通用型鈦合金，其用量占鈦合金總消耗量 50左右。金是鈦合金中最具代表性的材料。因此也最具有研究價(jià)值。 金具有良好的低溫性能，可制作在 C 下使用的低溫容器。但是隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)鈦合金的 使用工作環(huán)境要求不斷提高。傳統(tǒng)的鈦合金的一些突出弱點(diǎn)如硬度低，耐磨性差，特別是高溫下易氧化限制了其應(yīng)用范圍。鈦合金的抗氧化性能主要取決于在服役條件下表面能否形成致密的保護(hù)性氧化膜。當(dāng)工作溫度超過600 C 時(shí)， 合金中含有 6左右的鋁不足以在表面形成連續(xù)致密的 化時(shí)形成由多孔的 氧化能力差。 本次設(shè)計(jì)的題目是激光表面復(fù)合合金化對(duì)鈦合金高溫性能的影響，文中主要研究利用激光表面合金化技術(shù)在 金表面制備 金化層，利用合金化層在高溫氧化環(huán)境中 形成具有保護(hù)性的氧化膜來改善 金的抗高溫氧化性和摩擦磨損性，以此來提高 金在高溫環(huán)境下的使用性能。 關(guān)鍵詞： 合金；材料；性能 C4 is a 0% is of be 196 C of of of as at of of on of a be 00 C, % of on of a of a is is of of of in of C4 of at in to C4 C4 in to in 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 目 錄 摘要 . I . 緒論 . 1 光復(fù)合合金化工藝的制定原理及方法 . 1 光表面合金化涂層組織特性與性能 . 2 光表面復(fù)合合金化國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 . 4 課題研究的主要內(nèi)容 . 5 2 激光表面合金化層的綜 合分析 . 6 光合金化存在的問題 . 6 3 激光合金化技術(shù)的發(fā)展前景及研究方向 . 7 4 激光表面合金化層的物相結(jié)構(gòu)與組織分析 . 9 5 激光表面合金化層的抗高溫氧化性能分析 . 11 6 激光表面合金化層的高溫摩擦學(xué)特性分析 . 13 溫摩擦學(xué)的定義 . 14 溫摩擦的背景 . 16 溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及試驗(yàn)機(jī) . 18 響高溫摩擦系數(shù)的因素 . 19 結(jié)論 . 20 致謝 . 21 參考文獻(xiàn) . 22 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 1 緒論 由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越個(gè)人掌握所有，一些專業(yè)知識(shí)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識(shí)分割，使視野狹隘，可以多多參加技術(shù)交流，和參加科研項(xiàng)目，縮小范圍，提升新技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)塊的技術(shù)，提高外部條件變化的適應(yīng)能力。封閉的專業(yè)知識(shí)的太狹隘，考慮的問題太特殊，在 工作中協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢(shì)。人們?cè)絹碓街匾暬A(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對(duì)專業(yè)合并的分化。機(jī)械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，并研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來，新產(chǎn)品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個(gè)超級(jí)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和任務(wù)。機(jī)器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務(wù)?，F(xiàn)代機(jī)械工程機(jī)械和機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復(fù)雜，很多幻想成為過去的現(xiàn)實(shí)。人類現(xiàn)在能成為天空的上游和宇宙， 潛入海洋，數(shù)十億光年的密切觀察，細(xì)胞和分子。電子計(jì)算機(jī)硬件和軟件，人類的新興科學(xué)已經(jīng)開始加強(qiáng)，并部分代替人腦科學(xué)，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復(fù)雜的工作，從而促進(jìn)手功能。又一方面實(shí)踐促進(jìn)人腦智力。在人類的進(jìn)化過程中，以及在每個(gè)人的成長過程中，大腦和手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化。 大腦和手之間的人工智能和機(jī)械工程的近似關(guān)系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機(jī)械制造。在過去，各種機(jī)械 離不開人類的操作和控制，反應(yīng)速度和運(yùn)算精度的進(jìn)化是非常緩慢的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，人工智能將消除這種限制。相互促進(jìn)，計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)械工程進(jìn)展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機(jī)械工程。在第十九世紀(jì)，機(jī)械工程的知識(shí)總量仍然是有限的，大學(xué)在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學(xué)科，稱為土木工程，下半場(chǎng)的第十九個(gè)世 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 紀(jì)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨著機(jī)械工程和知識(shí)增長的發(fā)展開始分解，機(jī)械工程專業(yè)，有分支機(jī)構(gòu)。在第二十世紀(jì)中期趨勢(shì)分解，在時(shí)間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到的峰值。由于機(jī)械工程的知識(shí)總 量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)從個(gè)人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識(shí)使分割，視野狹隘，可以查看和統(tǒng)籌大局和全球工程和技術(shù)交流，縮小范圍，新技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)塊的技術(shù)，外部條件變化的適應(yīng)能力差。封閉的專業(yè)知識(shí)的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢(shì)。人們?cè)絹碓街匾暬A(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對(duì)專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā)展知識(shí)循環(huán)過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識(shí)的專家，也有綜合的知識(shí)了解不夠，看看其他學(xué)科和項(xiàng)目作為一個(gè)整體，從而形成 一種相互強(qiáng)烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機(jī)械工程全面而專業(yè)的沖突；在綜合性工程技術(shù)也有綜合和專業(yè)問題。在人類所有的知識(shí)，包括社會(huì)科學(xué)，自然科學(xué)和工程技術(shù)，有一個(gè)更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問題。 自 70 年代以來 ,我國開展了激光處理的研究 ,開發(fā)和應(yīng)用。四十多年以來， 我國的激光處理已取得了可喜的成績 ,有些研究成果已達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。激 光處理技術(shù)已在工業(yè)上取得了廣泛的應(yīng)用。例如 ,西安內(nèi)燃機(jī)配件廠 1990 年 10 月建成全國第一條缸套激光熱處理生產(chǎn)線 ,至 1998 年底已建成 24 條激光熱處理 生產(chǎn) 線 ,生產(chǎn)能力達(dá)到年產(chǎn) 120 萬只激光缸套 ;青島中發(fā)激光技術(shù)有限公司已開發(fā)生產(chǎn)了 5 種型號(hào)的激光強(qiáng)化機(jī) ,據(jù)統(tǒng)計(jì) ,該公司產(chǎn)品已在國內(nèi) 80 家汽車大修廠、鏜缸磨軸廠、缸套廠、大專院校和科研院所使用 ,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。激光熱處理主要包括激光硬化、激光合金化和激光熔覆。其中激光合金化和激光熔覆是在激光硬化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新工藝 ,這二種方法均具有改變基材表面的組織能力 ,同時(shí)還具有改變基材表面成分的能力。這二種方法為在各類材料生成與母材結(jié)合良好的高性能 (或特殊性能 )的表層提供了有效途徑。目前 ,對(duì)激光合金化和激光熔 覆兩種處理還沒有嚴(yán)格的定義和區(qū)別 ,一般認(rèn)為母材表面成分改變相對(duì)較少的方法稱激光合金化 ,而對(duì)母材表面成分改變較大或熔覆一層與母材 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 成分完全不同的表面層的方法稱激光熔覆。 目前激光熔覆的主要應(yīng)用是提高材料的耐磨性 ,在零部件的局部表面制備高耐磨的熔覆層 ;提高材料的耐腐蝕性 ,即在材料表面熔覆一層具有高耐腐蝕性的合金層 ;改變母材表面性能 ,形成一層具有特殊 性能的表面層。如重慶大學(xué)在完成了奧氏體不銹鋼表面同步實(shí)現(xiàn)合成與涂覆工藝 制備生物陶瓷基礎(chǔ)上 ,在比強(qiáng)度高 ,耐蝕性好、 醫(yī)療用途更廣泛的鈦合金表面成功地實(shí)現(xiàn)激光束一步合成 和涂覆 #(羥基磷灰石 (的生物陶瓷涂層。該熔覆層具有優(yōu)良的力學(xué)性能 ,也改善了植入材料彈性模量與生物模量及生物硬組織的匹配性。 光復(fù)合合金化工藝的制定原理及方法 (1)激光表面合金化選材原則 在選擇合金化材料時(shí) ,首先應(yīng)考慮合金化涂層的性能要求 ,其次要考慮合金 化元素與母材金屬熔體間相互作用的特性 ,還要考慮表面合金層與母材冶金結(jié)合 的牢固性 ,以及合金層的脆性、抗壓、抗彎曲等性能。在合金化組元的選擇上 ,既有 W、 金屬元素 ,也有 C、 N、 B、 非金屬元素 ,以及碳化物、氧化物、氮化物等難熔顆粒。 (2)激光合金化送粉方式 激光表面合金化過程中 ,合金化粉末的加入方式有 :預(yù)置材料法、 送粉法和激 光氣體合金化。其中預(yù)置材料法當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛 ;送粉法則易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 , 能夠充分利用能量、氣孔率低、生產(chǎn)效率高 ,可以得到良好的表面合金層質(zhì)量 , 具有廣闊的發(fā)展前景。激光合金化典型送粉方式如圖 1 所示。 光表面合金化涂層組織特性與性能 激光表面合金化涂層組織特征與其具體工藝條件及溫度梯度與凝固速度之 比有關(guān)。激光表面合金化過程中 ,溫度梯度、溶質(zhì)濃度、晶體長大速度均隨時(shí)間 變化 , 所以激光表面合金化涂層組織具有復(fù)合性特征 , 主要組織特征類型有三 種 : 平面晶胞狀晶胞狀樹枝晶樹枝晶 ;胞狀晶胞狀樹枝晶樹枝 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 晶； 胞狀樹枝晶樹枝晶。合金化涂層典型組織 ,如圖 2 所示。 當(dāng)前研究認(rèn)為 ,激光表面合金化涂層與基體材料呈良好的冶金結(jié)合 ,結(jié)合強(qiáng) 度高 ,能夠顯著提高廉價(jià)基體材料的耐磨性、 耐蝕性和耐腐蝕磨損性等性能 ,獲得 了廣泛應(yīng)用。 光表面復(fù)合合金化國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 鈦及鈦合金是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的一種重要的金屬材料，其主要特點(diǎn)是比強(qiáng)度高、耐腐蝕、中低溫性能好，同時(shí)還具有超導(dǎo)、記憶、儲(chǔ)氫等特殊性能，因此能在航空、化工、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用，而且作為尖端科學(xué)技術(shù)材料，將具有強(qiáng)大的生命力。但是鈦及鈦合金表面硬度低，在滑動(dòng)摩擦條件下摩擦力學(xué)性能差，特別是摩擦和磨損抗力相當(dāng)?shù)?，?yán)重限制了其應(yīng)用范圍1。因此，在金屬構(gòu)件性能滿足服役條件下，利用先進(jìn)的表面技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行改性處理，賦予金屬表面高硬度、高耐磨損和良好的耐腐蝕性能是解決此類問題的有效途徑。 鈦及鈦合金的激光表面 改性技術(shù)是目前國內(nèi)外材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。鈦及鈦合金的激光表面改性技術(shù)大致可以分為激光表面合金化法、激光熔敷法和激光表面重熔法 2。激光表面固體粉末合金化是采用激光將待處理材料表面加熱，基材與外加合金元素粉末一起熔化混合，形成熔池，隨后迅速凝固，在基材表面形成新的合金層。激光熔敷法是用不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)過激光輻射使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨性、耐熱性、耐蝕性、抗氧化性等的工藝方 法。 課題研究的主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)的題目是激光表面復(fù)合合金化對(duì)鈦合金高溫性能的影響，其具體包括以下內(nèi)容： （ 1）激光表面合金化層的物相結(jié)構(gòu)與組織分析。 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 （ 2）激光表面合金化層的抗高溫氧化性能分析。 （ 3）激光表面合金化層的高溫摩擦學(xué)特性分析。 2 激光表面合金化層的綜 合分析 光合金化存在的問題 大功率激光加工設(shè)備的穩(wěn)定性和配套性尚未達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用水平 激光合金化需要大功率或大面積光斑技術(shù) (聚焦法、寬帶法及轉(zhuǎn)鏡法 ),但當(dāng) 激光輸 出功率一定時(shí) ,光斑面積越大 ,功率密度越低。光束直徑的增大 ,將使功率 密度以平方關(guān)系下降。為了保持激光的高能密度和超快速加熱特征 ,當(dāng)激光輸出 功率為 ,光斑的最大理論面積只能為 輸出功率為 ,光斑最 大面積只能為 50采用寬帶掃描裝置 ,光束由圓形變成矩形時(shí) ,雖一次掃描 的面積增大了 ,但它是以顯著降低掃描速度為前提的 ,且光束的光學(xué)特性欠佳。 因 此大面積光斑技術(shù)是有局限性的。 若采用大功率技術(shù)就有一個(gè)激光器的功率穩(wěn)定 性問題。 合金化工藝和理論研究尚不成熟 與相變強(qiáng) 化相比 ,激光合金化的研究尚不深入 ,工藝的重現(xiàn)性和可信度不大 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往難以相互引用 ,這些問題除繼續(xù)深入探討外 ,尚可尋求其它的工藝 方法 ,如在適當(dāng)氣氛中通過激光束熔化基體表面實(shí)現(xiàn)合金化處理。合金元素可以 滲入較深的表面。表面粗糙度主要取決于樣品原始粗糙度、成分、氣流速度及噴 咀角度 ,既能控制表面平整度又能強(qiáng)化表層性能。 基體材料對(duì)合金粉末的選擇性 選擇合金化粉末時(shí) ,除了考慮所需要的性能(如合金層硬度、 耐磨性、 耐蝕性、 抗氧化性能等 )外 ,還必須考慮在激光作用下合金化材料進(jìn)入金屬表面時(shí)的行為 及其與基 體金屬熔體的相互作用特征 ,即它們?nèi)芙庑纬苫衔锏目赡苄浴?浸潤性、 線膨脹系數(shù)和比容等 ,以保證滿意的合金化效果。一般要求合金化層與基體達(dá)到 冶金結(jié)合 ,以提高其結(jié)合強(qiáng)度 ,以及合金層的韌性、抗壓、抗彎曲等性能。激光合 金化的合金材料的選擇 ,不僅要考 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 慮表面性能 ,還須考慮合金化區(qū)的表面及內(nèi)在 質(zhì)量以及合金材料的利用率、來源及價(jià)格等。 組織不均勻性 合金化組織不均勻性有三個(gè)方面 :一是合金化熔池內(nèi)的組織不均勻性 ,在其 橫截面內(nèi)出現(xiàn)組織梯度 ;二是熔池內(nèi)的宏觀組織不均勻性 ;三是大面積合金化的 搭接區(qū)。激光合金化區(qū)組織梯度是指在激光合金化的同一熔池內(nèi) ,由于合金熔池 整個(gè)截面內(nèi)存在溫度梯度和晶體長大速度的差異 ,則使最終的激光合金化組織不 是單一的凝固組織 ,而是一種復(fù)合性的凝固組織 ,即沿合金熔池的深度方向出現(xiàn) 不同的凝固組織區(qū)域。 3 激光合金化技術(shù)的發(fā)展前景及研究方向 近年來在工業(yè)實(shí)踐中 ,盡管傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)有了重大發(fā)展和新的突破 , 但可精確控 制的高能激光表面強(qiáng)化技術(shù)顯示出較大的生命力 ,在金屬表面進(jìn)行各 種物理、冶金強(qiáng)化方面 ,在石油、化工、電力、運(yùn)輸、紡織機(jī)械等方面 ,在開發(fā)超 高性能激光應(yīng)用復(fù)合生產(chǎn)中有效利用激光的控制性、 靈活性的生產(chǎn)系統(tǒng)有著廣闊 前景。隨著數(shù)千瓦乃至萬瓦級(jí)大功率激光器的成熟穩(wěn)定 ,組合鏡或轉(zhuǎn)鏡的不斷完 善 ,隨著大面積合金化工藝的規(guī)范化 ,隨著冶金學(xué)、 金屬材料研究方法與激光強(qiáng)化 技術(shù)的結(jié)合 ,有可能對(duì)材質(zhì)和性能的最優(yōu)化組合以及金屬材料的研究與生產(chǎn)產(chǎn)生 重要影響。 4 激光表面合金化層的物相結(jié)構(gòu)與組織分析 需要對(duì)激光表面合金化層的物 相結(jié)構(gòu)與組織進(jìn)行分析，就要求我們掌握以下幾點(diǎn)： （ 1） 熟悉 X 射線衍射儀 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 （ 2） 基本學(xué)會(huì)樣品測(cè)試過程。 （ 3） 掌握利用衍射圖進(jìn)行物相分析的方法。 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 基本掌握利用衍射圖進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的方法 晶體的 X 射線衍射圖譜是對(duì)晶體微觀結(jié)構(gòu)精細(xì)的形象變換，每種晶體結(jié)構(gòu)與其 X 射線衍，射圖之間有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系， 任何一種晶態(tài)物質(zhì)都有自己獨(dú)特的 X 射線衍射圖， 而且不會(huì) 因?yàn)榕c其它物質(zhì)混合在一起而發(fā)生變化，這就是 X 射線衍射法進(jìn)行物相分析的依據(jù)。其 X 射線衍射圖譜如下圖所示： 任何一種 粉末衍射技術(shù)都要求樣品是十分細(xì)小的粉末顆粒，使試樣在 受光照的體積中有足夠多數(shù)目的晶粒。因?yàn)橹挥羞@樣，才能滿足獲得正確的粉末衍射圖譜數(shù) 據(jù)的條件： 即試樣受光照體積中晶粒的取向是完全機(jī)遇的。粉末衍射儀要求樣品試片的表面 是十分平整的平面。將被測(cè)樣品在研缽中研至 200。將中間有淺槽的樣品板擦干凈，粉末樣品放入淺槽中，用另一個(gè)樣品板壓一下，樣品壓平且和樣品板相平。塊狀樣品制備 X 光線照射面一定要磨平，大小能放入樣品板孔，樣品拋光面朝向毛玻璃面，用橡皮泥從后面把樣品粘牢，注意勿讓橡皮泥暴露在 X 射線 下，以免引起不必要干擾。樣品掃描在 編好測(cè)試程序開始采集數(shù)據(jù)在 處理譜圖。 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 用 件處理譜圖，與 準(zhǔn)卡片對(duì)照，得到樣品為 鈦礦和 紅石。利用全譜擬合方法（ 譜圖進(jìn)行處理后，得到 鈦礦的含量是 紅石的含量是 利用軟件處理譜圖后得到兩種 體的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并根據(jù)晶格常數(shù)判斷出晶胞的晶系結(jié)果。 對(duì)于樣品的物相分析是準(zhǔn)確的，所有的峰都與 準(zhǔn)卡片 中 鈦礦和 紅石的峰相重疊，雖然在強(qiáng)度上略微有所不同，但考慮到儀器和操作填料的差異，這是在誤差允許范圍內(nèi)的。 對(duì)于樣品的定量分析，同一天的兩組同學(xué)測(cè)得的結(jié)果如表 3 所示，從表 3 中我 們可以看出，對(duì)于同一份樣品，兩組同學(xué)的測(cè)量結(jié)果略微有些差異。這些差異主 要來自于研磨的程度不同、裝填樣品的凹凸程度和平滑程度不同，但差異是在誤差允許范圍的，具體如下圖所示： 5 激光表面合金化層的抗高溫氧化性能分析 1 金屬氧化的過程 高溫氧化是金屬化學(xué)腐蝕的一種特殊形式。金屬氧化首先從 金屬表面吸附氧分子開始 , 高溫 即氧分子分解為氧原子被金屬表面所吸附 ,并在金屬晶格內(nèi)擴(kuò)散、吸附或溶解。而當(dāng)金屬和 氧的親和力較大 ,且當(dāng)氧在晶格內(nèi)溶解度達(dá)到飽和 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 時(shí) ,則在金屬表面上進(jìn)行氧化物的成核與長大。 金屬表面一旦形成了氧化膜 ,其氧化過程的繼續(xù)進(jìn)行將取決于以下兩個(gè)因素： (1)界面反應(yīng)速度。這包括金屬 /氧化物界面及氧化物 /氣體界面上的反應(yīng)速度。 (2)參加反應(yīng)的物質(zhì)通過氧化膜的擴(kuò)散速度。 它包括濃度梯度化學(xué)位引起的擴(kuò)散 ,也包括電位梯度電位差引起的遷移擴(kuò)散。 這兩個(gè)因素控制進(jìn)一步氧化的速度。在一般情 況下 ,當(dāng)金屬的表面與氧開始反應(yīng)生成極 薄的氧化膜時(shí) ,界面反應(yīng)起主導(dǎo)作用 ,即界面反應(yīng)是氧化膜生長的控制因素。但隨著氧化膜的 生長增厚 ,擴(kuò)散過程將逐漸起著越來越重要的作用 ,成為繼續(xù)氧化的控制因素。 如果在合金表面上能生成保護(hù)性極強(qiáng)的合金元素氧化物 ,或者能在基體金屬氧化物的底 部生成合金元素的氧化物相 ,則可有效地阻止基體金屬的氧化。選作這種用途的合金元素應(yīng) 具有下述三方面的基本特性。 為了滿足這一條件 ,合金元素應(yīng)具有以下特性 : 應(yīng)符合 理 原理 ,即合金元 素氧化物的體積與該合金元素的體積之比 (V / V)應(yīng)大于 1。 合金元素的氧化物應(yīng)具有高的電阻 ,以便有效地阻止金屬離子的擴(kuò)散。 合金元素的離子半徑應(yīng)小于基體金屬的離子半徑。 為使合金元素的氧化物能在金屬表面優(yōu)先形成 ,并且在氧化條件下不會(huì)被基體金屬還 原 ,必須選擇其氧化物的生成吉布斯自由能比基體金屬氧化物的生成吉布斯自由能更小的合金元素。這是保證保護(hù)膜產(chǎn)生和穩(wěn)定存在的必須滿足的熱力學(xué)條件。 為保證合金元素的氧化膜在高溫下穩(wěn)定存在 ,合金元素的氧化膜必須有低的分解壓、高的熔點(diǎn)和升華點(diǎn) ,以免在高溫下分解、揮 發(fā)或成為液體而喪失其保護(hù)性。當(dāng)然這些 氧化物也不應(yīng)與其他合金組元的氧化物生成低熔混合物。因此 ,凡其氧化物在高溫下易于揮 發(fā) (如 熔融 (如 B)的元素 ,都不宜于用作合金化元素。 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 6 激光表面合金化層的高溫摩擦學(xué)特性分析 溫摩擦學(xué)的定義 兩個(gè)在接觸狀態(tài)下作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體，因接觸而阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并使運(yùn)動(dòng)速 度減慢，這種現(xiàn)象稱之為摩擦。物體表面互相摩擦?xí)r，材料自該表面逐漸損失的 過程稱之為磨損。摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的結(jié)果。 摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面間的摩擦、潤滑和磨損 ，以及三者間 相互關(guān)系的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐的一門邊緣學(xué)科。 高溫摩擦，顧名思義是在高溫工作下的摩擦磨損現(xiàn)象。高溫工作條件下，高溫和氧化加速了磨損。 溫摩擦的背景 一些較為常見的高溫工作環(huán)境，如燃燒爐中的爐篦；沸騰爐中的管壁；各種 機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)；高速工作中的底盤、齒輪等傳動(dòng)系統(tǒng)；夏季工作下的輪 胎、傳動(dòng)膠帶；這些都會(huì)產(chǎn)生高溫摩擦磨損現(xiàn)象。相比于常溫條件下，材料在高 溫條件下產(chǎn)生摩擦磨損，使材料產(chǎn)生更多的消耗和使用壽命劇烈地減少，而且這 些類高溫摩擦情況較為普遍，消耗更為嚴(yán)重，因而我們迫 切地需要提高材料的高 溫耐磨性，以減少高溫工作條件下的摩擦磨損。一方面伴隨著現(xiàn)代航空、航天等高新技術(shù)的發(fā)展，陶瓷材料的廣泛應(yīng)用，材料高溫性能和高溫潤滑要求更高，另一方面隨著石油燃料價(jià)格的上漲，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性越來越受到重視。低能耗、少排放、高推進(jìn)比的先進(jìn)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸出 現(xiàn)在人們的視野中。 自 1974 年研究絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)以來，英國、美國、日本等國家先后投入巨資對(duì) 其進(jìn)行研究，以期實(shí)現(xiàn)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)在軍用和民用上的巨大價(jià)值。 溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及試驗(yàn)機(jī) 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 高溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)需要用到的試驗(yàn)機(jī)有 X 射線衍射儀 (描電子顯微鏡 (能譜儀 (磨損試驗(yàn)機(jī)等都可用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析。 磨損實(shí)驗(yàn)類型分為實(shí)物實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。試樣實(shí)驗(yàn)常用的磨損試驗(yàn)機(jī)有銷盤式試驗(yàn)機(jī)，上試樣為銷，下試樣為旋轉(zhuǎn)的圓盤，主要用于與礦石、砂石等固體材料發(fā)生磨損情況下金屬材料的耐磨性能實(shí)驗(yàn)，如 和 ；環(huán)快式試驗(yàn)機(jī)上試樣為平面塊狀，下試樣為環(huán)狀，主要用來做各種潤滑油和脂在滑動(dòng)摩擦狀態(tài)下的承荷能力和摩擦特性的實(shí)驗(yàn)，如 ；雙環(huán)式試驗(yàn)機(jī)上下試樣均為圓環(huán)狀，主要用來測(cè)定金屬和非金屬材料在滑動(dòng)摩擦、滾 動(dòng)摩擦、滑動(dòng)和滾動(dòng)復(fù)合摩擦或間歇摩擦情況下的磨損量，如 和 ；往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)上試樣在下試樣上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主要用于評(píng)定往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)件如導(dǎo)軌、缸套與活塞環(huán)等摩擦副的耐磨性，如 ；四球式試驗(yàn)機(jī)試樣為四個(gè)大小相同的鋼球，主要用于評(píng)定潤滑劑承載能力，如 。 高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，可在高溫、常溫和有液體介質(zhì)的情況下作金屬或非金屬材料的耐磨性試驗(yàn)和測(cè)定摩擦系數(shù)。試樣接觸形式可為盤銷式、雙環(huán)式、環(huán)快式等。目前大多數(shù)做高溫摩擦磨損試驗(yàn)的多用點(diǎn)接觸式的試驗(yàn)機(jī)。具體的實(shí) 驗(yàn)機(jī)的圖片分別如下圖所示： X 射線衍射儀 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 掃描電子顯微鏡 能譜儀 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 磨損試驗(yàn)機(jī) 響高溫摩擦系數(shù)的因素 在試驗(yàn)范圍內(nèi)熱軋鋼 /熱軋鋼摩擦副的高溫摩擦系數(shù)隨時(shí)間的延長呈增長 趨勢(shì) ,增長趨勢(shì)的快慢與試驗(yàn)參數(shù)有關(guān) ,高速時(shí)的高溫摩擦系數(shù)明顯低于低速時(shí) 的高溫摩擦系數(shù) ;大量氧化鐵磨屑的產(chǎn)生是造成熱軋鋼 /熱軋鋼摩擦副高溫摩擦 系數(shù)上下波動(dòng)的主要原因。分別對(duì) 種 化物涂層在 200 700 的高溫摩擦磨 損特性及機(jī)理進(jìn)行了研究 ,結(jié)果表明，由于摩擦溫升 , 涂層氧化更易發(fā)生 ,盡管涂層的輕微氧化可以提高耐磨性 ,但氧化加劇卻可以造成 涂層的最終失效。實(shí)驗(yàn)還表明，溫度、試驗(yàn)速度、載荷等都會(huì)對(duì)材料的高溫摩擦 系數(shù)產(chǎn)生影響。 總結(jié)得出材料的高溫摩擦系數(shù)主要是由溫度、試驗(yàn)速度、實(shí)驗(yàn)載荷這三種因 素影響的，其次還受摩擦里程和摩擦系統(tǒng)介質(zhì)等因素的影響。高溫摩擦圖解如下圖所示 ; 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 青島 院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 結(jié) 論 到如今，畢業(yè)設(shè)計(jì)總算接近尾聲了，通過這次設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識(shí)，而且還獲得新的經(jīng) 驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度。 本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文