摘要
工业纯钛具有比强度高、耐蚀性好、生物相容性好等特点，广泛应用于航空航天、能源化工、生物医学等领域，但是硬度较低、摩擦系数高且不稳定，耐磨性较差。为了改善纯钛的力学性能，本研究首先采用高能喷丸方法对TA2工业纯钛进行处理，然后分别进行热氧化和渗碳，通过对微观组织和力学性能的表征，研究TA2的组织演变规律和强化机制，探索其性能优化新途径。主要研究内容如下： 研究中采用高能喷丸方法对工业纯钛进行处理，利用光学显微镜（OM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）对微观组织的演化进行分析，采用纳米压痕实验测试力学性能，并对高能喷丸过程进行了有限元数值模拟。研究发现，高能喷丸在纯钛表层形成了梯度分布的微观组织，其中距离表面大约40μm范围内由于剧烈塑性变形，晶粒发生碎化，形成纳米组织；随深度的增加，晶粒形貌没有明显变化，但形成了大量{112_2lt;1112_3_压缩孪晶和{101_2lt;1101_1_拉伸孪晶。研究还发现TA2在高能喷丸过程中发生了密排六方结构（HCP）向面心立方结构（FCC）的转变。对纳米压痕曲线的量纲分析表明，高能喷丸显著提高了表层的硬度和屈服强度。磨损实验表明高能喷丸后摩擦系数降低为原始试样的1/3。 研究中对高能喷丸试样和原始试样进行不同温度和时间的热氧化处理，研究发现高能喷丸促进了TA2的热氧化。高能喷丸试样在650℃下经过60min热氧化后表层氧含量明显提高，而未喷丸试样则需在750℃下热氧化才能观察到表层氧含量的提高。随热氧化温度升高，高能喷丸后热氧化试样和直接热氧化试样均形成了比较明显的氧化膜，但高能喷丸试样的氧化膜厚度明显高于直接热氧化试样。高能喷丸试样在950℃下进行60min热氧化处理，表层硬度可以达到1219HV，而直接热氧化试样仅为803HV。对于在850℃下热氧化，高能喷丸处理试样也获得了更高的硬度。随温度进一步降低，硬度提高不明显。对于750℃和850℃下进行的热氧化，高能喷丸后热氧化试样的摩擦系数低于直接热氧化试样，而在950℃下，高能喷丸后热氧化试样的摩擦系数则稍高于直接热氧化试样。 对高能喷丸试样和原始试样的固体渗碳研究表明，一方面，高能喷丸促进了TA2表面渗碳层的形成。表层形貌观察和物相分析表明，在750℃和850℃进行12h的固体渗碳，高能喷丸试样表面形成了较多的TiC片层。在950℃渗碳12h，高能喷丸试样表面形成了更厚的TiC覆盖层。另一方面，高能喷丸促进了TA2表层区域中碳原子的扩散。维氏硬度和纳米压痕测试表明，高能喷丸试样经过850℃和950℃渗碳处理后，距离表面相同深度处的硬度和硬化区域的深度都高于直接渗碳试样。在以GCr15球为摩擦副进行的磨擦实验中，750℃下高能喷丸后渗碳试样和直接渗碳试样的摩擦系数接近，但明显低于未渗碳的高能喷丸试样；在850℃和950℃下，高能喷丸处理后渗碳试样的摩擦系数较低。
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