【摘 要】
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钛合金因具有密度小、比强度和比刚度高、耐腐蚀性好等优点,被广泛应用于多个领域。近几年开发的高强韧TC27（Ti5Al4Mo6V2Nb1Fe）钛合金,由于强度高和韧性好,被广泛应用于轴、框架等主承力结构件,但这种材料属于难加工材料且耐磨性不足,限制了其大规模应用。为了提高TC27材料的耐磨性能、抗疲劳性能等综合性能,本文提出在冷滚压（Surface cold rolling processing,S
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钛合金因具有密度小、比强度和比刚度高、耐腐蚀性好等优点,被广泛应用于多个领域。近几年开发的高强韧TC27（Ti5Al4Mo6V2Nb1Fe）钛合金,由于强度高和韧性好,被广泛应用于轴、框架等主承力结构件,但这种材料属于难加工材料且耐磨性不足,限制了其大规模应用。为了提高TC27材料的耐磨性能、抗疲劳性能等综合性能,本文提出在冷滚压（Surface cold rolling processing,SCRP）和超声滚压（Ultrasonic surface rolling processing,USRP）强化技术中引入直流高频脉冲电流,形成脉冲电流辅助冷滚压（Electropulsing-assisted surface cold rolling processing,EP-SCRP）和脉冲电流辅助超声滚压（Electropulsing-assisted ultrasonic surface rolling processing,EP-USRP）复合强化技术,对TC27材料进行表面复合强化,进一步提高其耐磨性能和疲劳性能。（1）依据缩小脉冲电流的闭合回路范围以保证安全性和避免电流热效应对车床加工精度产生影响的原则,设计和改造试验用车床、支撑装置、脉冲电源系统和超声滚压系统,确定脉冲电源、滚压设备和夹持装置的参数和类型,搭建EP-SCRP试验平台和EP-USRP试验平台。确定SCRP和USRP的试验方案,优化工艺参数,并在其基础上确定EP-SCRP和EP-USRP的试验方案,对TC27材料进行EP-SCRP和EP-USRP表面复合强化。（2）开展SCRP、USRP、EP-SCRP和EP-USRP四种工艺在TC27表层形成的塑性变形层的微观组织和强化机理研究。通过对强化后材料各表层微观组织的分析发现,各强化工艺均产生了剧烈塑性变形表层,表层中的α相受到挤压,从球状变成扁球状。相对来讲,脉冲电流引入后形成的EP-SCRP和EP-USRP的塑性变形层厚度比原工艺更大,塑性变形更加剧烈,尤其是EP-USRP使材料表层出现纳米化,纳米晶粒尺寸为30 nm,且纳米层厚度达到300 nm。SCRP和USRP的晶粒细化机理主要是机械孪生分割机制,EP-SCRP和EP-USRP的晶粒细化机理主要是位错增殖分割机制。脉冲电流的引入使晶粒细化机制发生转变。（3）开展SCRP、USRP、EP-SCRP和EP-USRP四种强化工艺的不同工艺参数对TC27材料表面粗糙度、硬度和残余压应力等表层性能影响的研究。SCRP提高了TC27材料的表层性能,引入脉冲电流后的EP-SCRP比SCRP进一步提高了材料的表层性能;USRP比以上两种工艺更能提高材料表层性能,脉冲电流引入后形成的EP-USRP使表层性能更进一步提高。各强化工艺使材料表面均出现镜面化,并形成加工硬化层,在硬化层中产生残余压应力;引入脉冲电流后更增大了表层塑性变形层和加工硬化,从而进一步提高材料的表层性能。（4）开展SCRP、USRP、EP-SCRP和EP-USRP四种表面强化工艺对TC27材料强化后的微动磨损性能及磨损机理影响的研究。在干摩擦条件下,各强化工艺处理后材料的摩擦系数都出现了下降,磨损率按照SCRP、EP-SCRP、USRP和EP-USRP的顺序依次降低,各强化工艺处理后材料的耐磨性按照此顺序依次提高。在润滑条件下,各强化试样的磨损率也出现降低,但是降低幅度不大。各强化工艺的干摩擦磨损机理较为多样,主要是粘结磨损、脱落、沟壑和氧化磨损,偶尔也出现磨粒磨损。润滑条件下的磨损机理单一,为磨粒磨损。（5）开展USRP和EP-USRP强化对TC27材料拉伸性能和疲劳性能及其断裂机理影响的研究。未强化处理材料、USRP和EP-USRP处理材料的抗拉强度分别为1119 MPa、1135 MPa和1167 MPa,EP-USRP能更大程度地提高TC27的抗拉强度。EP-USRP提高了TC27材料的高周期疲劳性能,10~7次循环的循环应力值为650 MPa,而USRP和未滚压试样的相应的应力值依次为620 MPa和600 MPa。断口形貌显示两种工艺处理后裂纹萌生位置都向材料次表层迁移。材料表层性能的改善使裂纹源向材料次表层移动,疲劳辉纹出现在疲劳裂纹稳定扩展区域。尤其是EP-USRP工艺在材料表层产生了纳米层,抑制了通过穿晶断裂传播的疲劳辉纹的扩展,从而进一步提高了材料的高周期疲劳性能。
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