摘要
钛合金因其比强度高、耐蚀性好、热稳定性优异等特点，广泛应用于航空航天、生物医药、器械制造等领域。对于在高温、高压和高载荷环境下长期服役的钛合金：如TC11钛合金，长期暴露在500℃环境下，材料表面会形成富氧层，这将严重影响材料的疲劳抗力。为了进一步提高TC11钛合金的抗疲劳性能和抗氧化能力，本论文采用形变强化复合等离子体电解氧化对材料进行表面改性处理，延长其服役寿命。通过喷丸及复合喷丸强化工艺使材料表面产生塑性变形层，引入一定残余压应力，有效改善了材料的疲劳性能。在此基础上采用振动光饰调整材料残余压应力场的分布，强化复合喷丸效果。进一步通过等离子体电解氧化改善材料形变强化复合层抗氧化性能。 基于上述背景，本论文将TC11钛合金为研究对象，通过金相组织显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）以及显微硬度测试仪、X射线应力测试仪、旋弯疲劳试验机等手段对比分析了喷丸、复合喷丸和喷丸复合振动光饰对TC11钛合金组织演变及性能的影响机制；探讨了等离子体电解氧化对TC11钛合金形变强化复合层组织演变及室温、高温综合性能的影响机制。 研究发现：经喷丸和复合喷丸强化后TC11钛合金α相形状由等轴状向长条状转化，取向也趋于统一，经统计，α相尺寸分别较基体降低了52.9%和76.7%。喷丸和复合喷丸强化处理也使材料产生了60.2μm和139.7μm的塑性变形层，材料表层位错密度较基体增加了2.01倍和2.91倍，经复合喷丸处理后试样表面也形成了9.48 nm的微纳米晶颗粒。同时发现，喷丸和复合喷丸处理后TC11钛合金形成的梯度残余压应力层和加工硬化层使材料断裂韧性和疲劳性能大幅提升。在700 MPa应力下，喷丸强化和复合喷丸处理后试样疲劳性能较基体提升4.52倍和37.1倍。 经喷丸复合振动光饰处理后TC11钛合金α相扭曲变形程度更大，产生了更深（144.1μm）的塑性变形层，且沿层深α相尺寸和形状呈梯度变化规律。在距表面10μm层深位置，材料受弹丸冲击作用力最大，α相被挤压变形为长条状，尺寸大小为1.36μm；随着层深增加，α相变形量越小，尺寸越大。喷丸复合振动光饰也有效改善了室温和高温氧化后TC11钛合金疲劳性能，在室温700 MPa应力下，喷丸复合振动光饰处理后的试样疲劳寿命较基体和复合喷丸分别提升44.6倍和1.35倍，且在650℃氧化10 h后的喷丸复合振动光饰试样在600 MPa应力下的疲劳寿命较基体提高61.1%。 经形变强化复合等离子体电解氧化生成的复合陶瓷层较单一等离子体电解氧化陶瓷层孔隙率降低了47.1%，膜基结合强度提升了8.7%，且生长速率更快。在650℃高温条件下，形变强化复合等离子体电解氧化试样表现出更好的隔热性能，且在氧化100 h后，其抗氧化性能较基体提升22.6倍，较喷丸复合振动光饰提升49.7倍。同时发现，形变强化复合等离子体电解氧化处理在引入了残余压应力的同时改善了残余压应力的热松弛，进而提高了TC11钛合金试样的高温疲劳性能，在加载500 MPa应力后，形变强化复合等离子体电解氧化试样650℃高温疲劳性能较基体提升5.9倍，较喷丸复合振动光饰试样提升1.4倍。
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