摘要: TC11钛合金因其具有低密度、高比强度等特点，常用作如活塞一样在高温环境下服役的运动部件材料。在500℃以上的高温环境下使用时，TC11表面易形成富氧层，造成合金脆化，使其断裂韧性下降，导致了TC11力学性能的衰退。对于类似活塞等长期在高温高压高... 展开 TC11钛合金因其具有低密度、高比强度等特点，常用作如活塞一样在高温环境下服役的运动部件材料。在500℃以上的高温环境下使用时，TC11表面易形成富氧层，造成合金脆化，使其断裂韧性下降，导致了TC11力学性能的衰退。对于类似活塞等长期在高温高压高载荷环境下服役的热端部件，要兼具抗高温氧化能力和力学性能，单一表面防护方法难以满足其复杂工况的要求，因此，复合防护成为提高TC11综合性能的有效途径。 本论文通过喷丸复合等离子体电解氧化（PEO-SP）在改善TC11钛合金疲劳性能的同时提升其抗高温氧化性能。通过X射线衍射（XRD）、金相（OM）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等方法研究了喷丸梯度纳米结构、PEO-SP复合处理对TC11表层微观组织结构、高温氧化性能、高温氧化前后疲劳性能规律的影响，揭示其内在作用机制。 研究发现，喷丸强化（SP）在TC11钛合金表层形成深达220μm的梯度微纳米结构，从表及里为：纳米晶层、孪晶层、位错层、基体层。低密度位错形变量最小，组织趋近于基体；随着层深减小，形变量增大，位错密度增加，在位错缠结、钉扎作用下，位错滑移难以进行，形成了形变孪晶；随着层深继续减小，形变量持续增大，晶粒在近表层形成平均晶粒尺寸约为21.8nm的纳米晶颗粒，在表面形成平均晶粒尺寸约为6.7nm的小纳米晶颗粒；α相晶粒细化机制为位错滑移切割和孪生交互共同作用；而β相晶粒细化机制受α相的位错切割影响。 在650℃下氧化后，基体、喷丸强化（SP）试样氧化行为均遵循线性-抛物线规律，与基体相比，喷丸试样抗氧化能力下降了5.72%。同一时间，SP试样氧化物颗粒和氧化膜层厚度均大于基体试样，氧扩散深度比基体试样深。两者主要氧化物相均为金红石（R）型TiO2。基体试样氧化膜层的缺陷随氧化时间增加而减少，而喷丸强化试样氧化膜层缺陷随氧化时间增加先增加后减小。 对基体、SP处理试样进行等离子体电解氧化（PEO）处理。发现经PEO处理后，SP试样膜层表面孔隙率、膜层厚度均高于基体试样，两者主要物相均为锐钛矿（A）型TiO2。对两者高温氧化性能进行测试，在650℃下氧化100h后，PEO-SP处理试样抗高温氧化性能较PEO处理试样提高了5.7%。与650℃下氧化100h的基体试样相比，PEO-SP复合处理试样在抗高温氧化能力提升了17倍，两者主要物相均为（R）型TiO2和（A）型TiO2。 对基体、SP处理试样疲劳性能、断裂韧性进行测试，发现SP处理提升了TC11钛合金的断裂韧性和疲劳性能，同一交变应力下，SP处理试样的疲劳强度系数比基体试样低，疲劳强度指数比基体试样高。应力为600MPa时，SP处理将TC11钛合金疲劳寿命提升了43.6%。基体试样疲劳裂纹扩展方式为穿β相扩展，而喷丸裂纹扩展为穿α相与β相扩展，喷丸强化处理TC11钛合金疲劳断裂方式为韧性断裂。 对PEO、PEO-SP处理试样的疲劳性能、断裂韧性进行测试，结果为：PEO处理使断裂韧性下降，而PEO-SP处理提升了TC11钛合金的断裂韧性；PEO处理使TC11钛合金疲劳寿命降低，而SP形成的梯度结构、加工硬化改善了PEO试样的疲劳抗力，在应力为600MPa下，复合处理试样的疲劳寿命较TC11基体提升了4.8%。 对基体、SP、PEO、PEO-SP处理试样的疲劳性能、断裂韧性进行测试，发现在650℃下氧化10h后，TC11、SP、PEO、PEO-SP的断裂韧性和疲劳性能均下降，疲劳源均出现多源特征。 收起