【精密与超精密加工】季华实验室邓延生等：Ti6Al4V表面激光渗碳磨削及其强化机理
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2024-11-13 17:05
重庆
被誉为“未来金属”的钛合金，因其优越的综合性能被广泛应用于航空航天、生物医学和海洋工程等领域，常被用来制造反射系统支撑背板、空间连接结构等。Ti6Al4V是一种密度低、强度高、耐腐蚀、高韧性的两相合金。bcc晶格的β相在α相间隙中存在，提高了材料的断裂韧性。由于这些特点，Ti6Al4V成为具有代表性且应用较广泛的钛合金。然而，在生产Ti6Al4V产品的生产实践中，对一些核心零部件的接触表面往往提出远高于基体材料的力学性能要求。因此，关于Ti6Al4V表面强化方法及其改性机理的探索一直是近几年来的研究热点。
季华实验室邓延生团队提出了一种Ti6Al4V表面激光渗碳磨削方法，将激光合金化工艺耦合到表面磨削加工过程中。通过这种方式实现Ti6Al4V表面加工与强化过程的一体化，进而简化工艺流程，提高生产效率。设计了常规磨削和激光渗碳磨削的对比试验，研究了激光、渗碳和磨削工艺对Ti6Al4V表面力学性能及其加工质量的综合影响。此外，对加工表面的微相组成、硬度、耐磨性和表面粗糙度进行表征。揭示了激光渗碳合金化对材料磨削去除的正向作用以及磨削热回火对重熔层性能的反向调节作用。本研究开辟了一种Ti6Al4V表面性-形协同制造新技术，对指导工业具有重要的实际意义。同时，研究结果填补了磨削表面加工强化一体化理论的空白，为高性能Ti6Al4V表面的制造提供了理论支持。
关键词：Ti6Al4V；激光渗碳磨削；性-形协同控制；加工强化一体化
本文提出一种高效的Ti6Al4V加工-强化一体化技术，即激光渗碳磨削。该技术将激光合金化过程耦合到磨削加工中，通过加工热力耦合效应作用影响表层材料冶金转变过程，进而实现Ti6Al4V表面力学性能与形貌质量的协同控制。对比了各实验组加工表面微观相成分和组织形态。激光渗碳磨削后，材料表面存在明显的碳化物相。碳涂层的覆盖对表层材料起到保护作用，避免了表面氧化物相的生成。在激光渗碳作用下，加工表面形成合金化重熔层，它由树枝状Ti6Al4V基体与其间隙处弥散分布的碳化物组成。亚表面材料发生固态相变，形成针状马氏体层。探究了激光渗碳磨削对加工表面力学性能与形状质量的提升。激光渗碳磨削后材料表面硬度高达850HV，与常规磨削表面硬度相比提升了165%。亚表面针状马氏体层厚度达到1 mm，硬度约为370HV。同时，激光渗碳磨削提高了Ti6Al4V的抗磨损性能。材料磨损表面的沟壑和韧窝明显减小，动摩擦因数更早趋于稳定，与常规磨削相比磨损量大大降低。此外，渗碳合金化过程改善了表层材料的磨削性能。细小的树枝状晶和弥散分布的碳化物提高了重熔层的强度和抗变形能力，使磨粒难以完全切入材料表面。与常规磨削表面相比，激光渗碳磨削后的表面沟壑的深度与宽度显著减小，由材料塑型堆积引起的片状断裂完全消失，表面粗糙度Ra降低了22%。该文章发表在《表面技术》第53卷第18期。
引文格式：邓延生, 曹长虹, 陶彦辉, 等. Ti6Al4V 表面激光渗碳磨削及其强化机理[J]. 表面技术, 2024, 53(18): 167-174.
DENG Yansheng, CAO
Changhong, TAO Yanhui, et al. Laser Carburizing Grinding of Ti6Al4V Surface and
Its Strengthening Mechanism[J]. Surface Technology, 2024, 53(18): 167-174.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.18.014
