D0I:10.13374/i.issnl001t03.2007.04020 第29卷第4期 北京科技大学学报 Vol.29 No.4 2007年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2007 钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层厚度的优化设计 韩庆礼)刘国权)王亮)王安东)向嵩) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)航天材料及工艺研究所，北京100076 摘要为了确定钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层的合适厚度，利用先进的纳米显微力学探针测量了材料的弹性模量·采 用ANSYS有限元软件，对钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层在受压情况下的应力分布以及尺寸稳定性进行了分析，以此对 轴承钢硬化层的厚度进行了模拟.结果表明，当轴承钢硬化层厚度在0.10~0.50mm内时，最大等效应力发生在镍与铜之间， 容易引起界面处裂纹的产生；合适的轴承钢硬化层厚度范围应为1.00~2.00mm:最佳的厚度为1.50mm左右. 关键词轴承钢：钛合金；扩散焊接；硬化层：有限元分析 分类号TG404 Ti6Al4V合金比强度高，抗氧化，耐蚀性能好， 轴承钢硬化，在扩散焊接过程中为了防止生成金属 在航空、航天和兵工行业得到了广泛的应用山，然 间化合物加入了镍和铜两层中间层材料，其中镍层 而Ti6A4V合金的耐磨损性能差，因此在实际使用 靠近轴承钢一侧，铜层靠近钛合金，其金相照片见 过程中磨损严重，变形较大，严重时导致部件尺寸失 图1，图中右侧是钛合金，左侧是轴承钢，中间两层 配而无法正常发挥其功能.在Ti6A14V合金表面扩 是镍和铜 散焊接上适当厚度的硬质表面层GCr15轴承钢，是 提高其表面强度和耐摩擦性的一种行之有效的 方法， 扩散焊接硬化层的厚度对钛合金部件在实际应 用中有着重要的影响，不同的硬化层厚度对部件的 内应力分布以及尺寸稳定性起着很大的作用，国内 外学者对硬化层厚度的确定一直进行着研究2]， 50 um 但是以往学者研究的都是针对单层硬化层材料进行 考虑，而钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层在实际 图1扩散焊接样品在光学显微镜下的形貌 工艺中添加了中间层材料镍和铜，这样钛合金基体、 Fig-I Optical microscopic image of a diffusion bonding sample 镍、铜中间层以及表面轴承钢硬化层相当于形成了 利用ANSYS有限元进行力学分析，材料的弹 四层涂层，这无形中加大了分析的难度，另外材料 性模量是最重要的物性参数，本文利用先进的 的物性参数确定一般都是从文献中查阅得出，这在 Nano Indenter II纳米显微力学探针测量材料的弹 很大程度上影响了分析的精度和准确度，本文从实 性模量，测量过程忽略材料的各向异性，分别测量样 际工况出发，先测量材料的物性参数，然后再利用 品横截面上各层材料，得到钛合金基底材料、过渡中 ANSYS有限元数值模拟的方法对钛合金表面焊接 间层镍、铜以及轴承钢硬化层的纳米尺度弹性模量， 轴承钢硬化层的不同厚度进行模拟，最终得到轴承 见表1.表中材料的密度和泊松比由文献[8]查得. 钢硬化层厚度的允许范围以及最佳值. 表1材料的物性参数 1材料的性能及接头形式 Table 1 Physical parameters of selected materials 本文选择Ti6A4V钛合金表面扩散焊接GCr15 材料 密度/(kgm一3)弹性模量/GPa 泊松比 钛合金 4430 148 0.33 收稿日期：2006-02-27修回日期：2006-07-07 铜 8940 156 0.34 基金项目：国防科工委基础研究资助项目(No,2005HP008) 镍 8890 243 0.31 作者简介：韩庆礼(1977-)，男，博士研究生：刘国权(1952-)，男， 轴承钢 7810 259 0.29 教授，博士生导师
钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层厚度的优化设计 韩庆礼1） 刘国权1） 王 亮2） 王安东1） 向 嵩1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 航天材料及工艺研究所北京100076 摘 要 为了确定钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层的合适厚度利用先进的纳米显微力学探针测量了材料的弹性模量．采 用 ANSYS 有限元软件对钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层在受压情况下的应力分布以及尺寸稳定性进行了分析以此对 轴承钢硬化层的厚度进行了模拟．结果表明当轴承钢硬化层厚度在0∙10～0∙50mm 内时最大等效应力发生在镍与铜之间 容易引起界面处裂纹的产生；合适的轴承钢硬化层厚度范围应为1∙00～2∙00mm最佳的厚度为1∙50mm 左右． 关键词 轴承钢；钛合金；扩散焊接；硬化层；有限元分析 分类号 TG404 收稿日期：20060227 修回日期：20060707 基金项目：国防科工委基础研究资助项目（No．2005HP008） 作者简介：韩庆礼（1977—）男博士研究生；刘国权（1952—）男 教授博士生导师 Ti6Al4V 合金比强度高抗氧化耐蚀性能好 在航空、航天和兵工行业得到了广泛的应用［1］．然 而 Ti6Al4V 合金的耐磨损性能差因此在实际使用 过程中磨损严重变形较大严重时导致部件尺寸失 配而无法正常发挥其功能．在 Ti6Al4V 合金表面扩 散焊接上适当厚度的硬质表面层 GCr15轴承钢是 提高其表面强度和耐摩擦性的一种行之有效的 方法． 扩散焊接硬化层的厚度对钛合金部件在实际应 用中有着重要的影响．不同的硬化层厚度对部件的 内应力分布以及尺寸稳定性起着很大的作用．国内 外学者对硬化层厚度的确定一直进行着研究［2—7］ 但是以往学者研究的都是针对单层硬化层材料进行 考虑而钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层在实际 工艺中添加了中间层材料镍和铜这样钛合金基体、 镍、铜中间层以及表面轴承钢硬化层相当于形成了 四层涂层这无形中加大了分析的难度．另外材料 的物性参数确定一般都是从文献中查阅得出这在 很大程度上影响了分析的精度和准确度．本文从实 际工况出发先测量材料的物性参数然后再利用 ANSYS 有限元数值模拟的方法对钛合金表面焊接 轴承钢硬化层的不同厚度进行模拟最终得到轴承 钢硬化层厚度的允许范围以及最佳值． 1 材料的性能及接头形式 本文选择 Ti6Al4V 钛合金表面扩散焊接 GCr15 轴承钢硬化在扩散焊接过程中为了防止生成金属 间化合物加入了镍和铜两层中间层材料其中镍层 靠近轴承钢一侧铜层靠近钛合金．其金相照片见 图1图中右侧是钛合金左侧是轴承钢中间两层 是镍和铜． 图1 扩散焊接样品在光学显微镜下的形貌 Fig．1 Optical microscopic image of a diffusion bonding sample 利用 ANSYS 有限元进行力学分析材料的弹 性模量是最重要的物性参数．本文利用先进的 Nano Indenter II 纳米显微力学探针测量材料的弹 性模量测量过程忽略材料的各向异性分别测量样 品横截面上各层材料得到钛合金基底材料、过渡中 间层镍、铜以及轴承钢硬化层的纳米尺度弹性模量 见表1．表中材料的密度和泊松比由文献［8］查得． 表1 材料的物性参数 Table1 Physical parameters of selected materials 材料 密度／（kg·m —3） 弹性模量／GPa 泊松比 钛合金 4430 148 0∙33 铜 8940 156 0∙34 镍 8890 243 0∙31 轴承钢 7810 259 0∙29 第29卷 第4期 2007年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．4 Apr．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．04．020
第4期 韩庆礼等：钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层厚度的优化设计 .399 2有限元模型及可信度评估 2.2有限元模型可信度评估 用钢球压在无硬化层的钛合金板材上或者轴承 2.1有限元模型 钢板材上作为上述有限元模型的评定系统，将有限 图2为求解问题的有限元模型.模型采用四节 元分析结果和采用赫兹解析方法得到的结果进行比 点PLANE182实体单元：由于涉及到接触问题，接 较.对于无涂层体系的解析解的结果表明，界面 触单元选择TARGE169和C0NTA172.在接触部 下最大剪切应力Tmax的数值应为O.3Pmax,Pmax为最 位网格划分的较密，保证了模型的准确性，该模型 大应力，即Tmar/Pmam的解析解值为0.3.表2对这 下部方形对应于钛合金轴承钢一体化材料，上部圆 两种方法的结果进行了对比。由表2可以看出，采 形对应于轴承钢滚珠.滚珠的半径为5mm;模型中 用本模型得出数值计算结果精度可控制在5%以 钛合金的厚度为5mm,长度为20mm;硬化层厚度 内，按照工程计算要求，符合计算结果的精确度 为变量，钛合金和轴承钢之间中间层镍和铜的厚度 表2无涂层情况的解析解和有限元解的结果对比 各为80m,模型上面加一线载荷力9.8kN Table 2 Comparison of finite element analysis results with Hettz's AN solutions 品 滚珠 结果对比 解析解 有限元解 钢球压在钛合金上 0.3 0.3009 钢球压在轴承钢上 0.3 0.2993 ,轴承钢 镍铜 3 模拟结果及讨论 中间层 钛合金 3.1应力分析及讨论 不同的硬化层厚度对部件的内应力分布以及尺 寸稳定性有很大的影响，实际模拟过程中硬化层的 厚度分别取0.10,0.25,0.50,1.00,1.50,2.00， 图2划分网格 3.00,4.00mm.图3是硬化层厚度为1.00mm时， Fig-2 Mesh division 部件的等效应力分布图和剪切应力分布图. MODAL IOLITIRN N BODAL 30UETTEN AN 9 m (a) 1.026 1244 2487 3729 4972 622.4051865 3108 43515593 O1740,949.24n758357632610284241 -1345-553.778237.14810281819 图3硬化层厚度为1.00mm时的等效应力(a)及剪切应力图(b). Fig.3 Images of simulated equivalent stress (a)and shear stress (b)when the hardened layer thickness is 1.00 mm 以同等条件模拟了不同硬化层厚度的等效应力 厚度范围最不利于部件的正常运转：当硬化层厚度 分布和剪切应力分布.模拟结果可以看出：当轴承 在1.00mm或以上时，其最大等效应力和剪切应力 钢硬化层厚度小于0.10mm时，最大的等效应力和 分布在表面轴承钢内部，此时轴承钢完全发挥出其 剪切应力都在钛合金基体内，此时的轴承钢对部件 强度高的优势，因此如果仅仅从受力上考虑，这个范 整体受力作用不大：随着轴承钢硬化层厚度的增加， 围的厚度应该是比较好的 当厚度为0.10~0.50mm,最大的等效应力和剪切 不同的硬化层厚度，对应的受力大小也不一样. 应力开始转移到镍和铜层之间，此时由于铜和镍的 图4是模型中不同位置的等效应力分布图，其中等 强度比较底，所以最容易萌生裂纹并长大，因此这个 效应力最大的位置是在模型的中心线上，图4中的
2 有限元模型及可信度评估 2∙1 有限元模型 图2为求解问题的有限元模型．模型采用四节 点 PLANE182实体单元；由于涉及到接触问题接 触单元选择 TARGE169和 CONTA172．在接触部 位网格划分的较密保证了模型的准确性．该模型 下部方形对应于钛合金轴承钢一体化材料上部圆 形对应于轴承钢滚珠．滚珠的半径为5mm；模型中 钛合金的厚度为5mm长度为20mm；硬化层厚度 为变量钛合金和轴承钢之间中间层镍和铜的厚度 各为80μm．模型上面加一线载荷力9∙8kN． 图2 划分网格 Fig．2 Mesh division 2∙2 有限元模型可信度评估 用钢球压在无硬化层的钛合金板材上或者轴承 钢板材上作为上述有限元模型的评定系统将有限 元分析结果和采用赫兹解析方法得到的结果进行比 较．对于无涂层体系的解析解的结果表明［2］界面 下最大剪切应力τmax的数值应为0∙3PmaxPmax为最 大应力．即 τmax／Pmax的解析解值为0∙3．表2对这 两种方法的结果进行了对比．由表2可以看出采 用本模型得出数值计算结果精度可控制在5％以 内按照工程计算要求符合计算结果的精确度． 表2 无涂层情况的解析解和有限元解的结果对比 Table2 Comparison of finite element analysis results with Hettz’s solutions 结果对比 解析解 有限元解 钢球压在钛合金上 0∙3 0∙3009 钢球压在轴承钢上 0∙3 0∙2993 3 模拟结果及讨论 3∙1 应力分析及讨论 不同的硬化层厚度对部件的内应力分布以及尺 寸稳定性有很大的影响．实际模拟过程中硬化层的 厚度 分 别 取 0∙100∙250∙501∙001∙502∙00 3∙004∙00mm．图3是硬化层厚度为1∙00mm 时 部件的等效应力分布图和剪切应力分布图． 图3 硬化层厚度为1∙00mm 时的等效应力（a）及剪切应力图（b）． Fig．3 Images of simulated equivalent stress （a） and shear stress （b） when the hardened layer thickness is1∙00mm 以同等条件模拟了不同硬化层厚度的等效应力 分布和剪切应力分布．模拟结果可以看出：当轴承 钢硬化层厚度小于0∙10mm 时最大的等效应力和 剪切应力都在钛合金基体内此时的轴承钢对部件 整体受力作用不大；随着轴承钢硬化层厚度的增加 当厚度为0∙10～0∙50mm最大的等效应力和剪切 应力开始转移到镍和铜层之间此时由于铜和镍的 强度比较底所以最容易萌生裂纹并长大因此这个 厚度范围最不利于部件的正常运转；当硬化层厚度 在1∙00mm 或以上时其最大等效应力和剪切应力 分布在表面轴承钢内部此时轴承钢完全发挥出其 强度高的优势因此如果仅仅从受力上考虑这个范 围的厚度应该是比较好的． 不同的硬化层厚度对应的受力大小也不一样． 图4是模型中不同位置的等效应力分布图其中等 效应力最大的位置是在模型的中心线上．图4中的 第4期 韩庆礼等： 钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层厚度的优化设计 ·399·
.400 北京科技大学学报 第29卷 A、B、C、D点的位置都位于模型中心线上，A点位 的影响，对整个部件的尺寸稳定性也有很大的作用 于滚珠下方和轴承钢硬化层表面接触的位置；B点 图6是轴承钢硬化层在不同厚度下，模型滚珠上平 位于轴承钢和镍层交界的位置：C点位于镍和铜层 面向下的位移情况， 交界的位置；D点位于铜和钛合金交界的位置， 1.7H dD/ 5 4 ◆A点值+D点值 一B点值最大值 ·C点值 硬化层厚度mm 00 硬化层厚度/mm 图5硬化层不同厚度下的最大剪切应力分布 Fig.5 Curve of maximal shear stress at different positions with 图4硬化层不同厚度时各位置的等效应力分布 hardened layer thickness Fig-4 Curves of equivalent stress at different positions with hard- ened layer thickness 60 由图4分析可以看出：C点和D点的等效应力 且56 都是逐步减少的，B点的等效应力以及最大等效应 54 力变化都是由小变大然后再变小，在0.25mm左右 时候达到最大值，然后值逐渐减少趋于一稳定值， 50 硬化层厚度/mm 硬化层厚度在0.10~0.50mm范围时，最大等效应 力分布在铜镍中间层之间，由于铜镍的强度相对于 图6硬化层不同厚度下模型的位移变化 轴承钢来说要小，如果硬化层厚度在这个范围，那么 Fig.6 Curve of simulated displacement with hardened layer thick- 整个部件的最大等效应力就分布在了钛合金扩散焊 ness 接部件的最薄弱的环节，所以说这个厚度范围是应 由图6可以看出：随着硬化层厚度的不断增加， 当避免的.当硬化层厚度增加到0.50mm以上时， 模型滚珠上平面向下的位移逐步减少；当硬化层厚 B、C、D点的等效应力都是逐步减小的，所以从这个 度增加到2.00mm时，模型的位移量变化很小.如 角度考虑，整个轴承钢硬化层厚度应该大于 果从部件的尺寸稳定性来考虑，硬化层的厚度是越 0.50mm,A点是轴承钢表面的受力分布，可以看出 厚越好.但是由上面分析可以看出，硬化层越厚部 表面的受力是随着硬化层厚度的增加而逐步增加， 件的质量越大，表面的应力也越大，另外当硬化层厚 如果轴承钢表面受力过大，在实际磨损过程中部件 度超过2.00mm时，部件的尺寸变化量不是太大， 容易发生点蚀现象，所以轴承钢的厚度不能太厚，综 所以综合起来考虑，硬化层的厚度以不超过 合起来考虑1.00~2.00mm为最佳值. 2.00mm为宜， 图5是轴承钢硬化层不同厚度下的最大剪切应 4 力分布.由图可以看出最大剪切应力的分布与最大 结论 等效应力的分布较类似，当硬化层厚度很薄时剪切 (1)采用ANSYS有限元软件，对钛合金表面扩 应力较小，然后随着厚度的增加其值也逐步变大，当 散焊接轴承钢硬化层在受压情况下的应力分布进行 硬化层厚度为0.25mm时候达到最大，然后随着硬 了分析，以此对轴承钢硬化层的厚度进行了模拟， 化层厚度的增加最大剪切应力逐步降低，为了避免 (2)当轴承钢硬化层厚度在0.10~0.50mm之 大的剪切应力，轴承钢的厚度应该大于0.50mm, 间时，最大等效应力发生在镍和铜之间，容易引起界 部件受到的剪切应力越小，在实际应用中纳米镍硬 面处的裂纹产生 化层越不易脱落；但是并不是说硬化层厚度越厚越 (3)轴承钢硬化层厚度的增加有利于部件整体 好，当硬化层厚度太厚时，整个部件的质量大幅度增 的尺寸稳定性，但会相应增加部件的质量， 加，就失去了钛合金比强度高的优点 (4)从应力分布情况看，合适的轴承钢硬化层 3.2尺寸稳定性分析 厚度范围为1.00~2.00mm,最佳的厚度为 不同厚度的硬化层不仅仅对部件的应力有很大 1.50mm左右
A、B、C、D 点的位置都位于模型中心线上．A 点位 于滚珠下方和轴承钢硬化层表面接触的位置；B 点 位于轴承钢和镍层交界的位置；C 点位于镍和铜层 交界的位置；D 点位于铜和钛合金交界的位置． 图4 硬化层不同厚度时各位置的等效应力分布 Fig．4 Curves of equivalent stress at different positions with hardened layer thickness 由图4分析可以看出：C 点和 D 点的等效应力 都是逐步减少的．B 点的等效应力以及最大等效应 力变化都是由小变大然后再变小在0∙25mm 左右 时候达到最大值然后值逐渐减少趋于一稳定值． 硬化层厚度在0∙10～0∙50mm 范围时最大等效应 力分布在铜镍中间层之间由于铜镍的强度相对于 轴承钢来说要小如果硬化层厚度在这个范围那么 整个部件的最大等效应力就分布在了钛合金扩散焊 接部件的最薄弱的环节所以说这个厚度范围是应 当避免的．当硬化层厚度增加到0∙50mm 以上时 B、C、D 点的等效应力都是逐步减小的所以从这个 角度 考 虑整 个 轴 承 钢 硬 化 层 厚 度 应 该 大 于 0∙50mm．A 点是轴承钢表面的受力分布可以看出 表面的受力是随着硬化层厚度的增加而逐步增加． 如果轴承钢表面受力过大在实际磨损过程中部件 容易发生点蚀现象所以轴承钢的厚度不能太厚综 合起来考虑1∙00～2∙00mm 为最佳值． 图5是轴承钢硬化层不同厚度下的最大剪切应 力分布．由图可以看出最大剪切应力的分布与最大 等效应力的分布较类似当硬化层厚度很薄时剪切 应力较小然后随着厚度的增加其值也逐步变大当 硬化层厚度为0∙25mm 时候达到最大然后随着硬 化层厚度的增加最大剪切应力逐步降低．为了避免 大的剪切应力轴承钢的厚度应该大于0∙50mm． 部件受到的剪切应力越小在实际应用中纳米镍硬 化层越不易脱落；但是并不是说硬化层厚度越厚越 好当硬化层厚度太厚时整个部件的质量大幅度增 加就失去了钛合金比强度高的优点． 3∙2 尺寸稳定性分析 不同厚度的硬化层不仅仅对部件的应力有很大 的影响对整个部件的尺寸稳定性也有很大的作用． 图6是轴承钢硬化层在不同厚度下模型滚珠上平 面向下的位移情况． 图5 硬化层不同厚度下的最大剪切应力分布 Fig．5 Curve of maximal shear stress at different positions with hardened layer thickness 图6 硬化层不同厚度下模型的位移变化 Fig．6 Curve of simulated displacement with hardened layer thickness 由图6可以看出：随着硬化层厚度的不断增加 模型滚珠上平面向下的位移逐步减少；当硬化层厚 度增加到2∙00mm 时模型的位移量变化很小．如 果从部件的尺寸稳定性来考虑硬化层的厚度是越 厚越好．但是由上面分析可以看出硬化层越厚部 件的质量越大表面的应力也越大另外当硬化层厚 度超过2∙00mm 时部件的尺寸变化量不是太大． 所以 综 合 起 来 考 虑硬 化 层 的 厚 度 以 不 超 过 2∙00mm为宜． 4 结论 （1） 采用 ANSYS 有限元软件对钛合金表面扩 散焊接轴承钢硬化层在受压情况下的应力分布进行 了分析以此对轴承钢硬化层的厚度进行了模拟． （2） 当轴承钢硬化层厚度在0∙10～0∙50mm 之 间时最大等效应力发生在镍和铜之间容易引起界 面处的裂纹产生． （3） 轴承钢硬化层厚度的增加有利于部件整体 的尺寸稳定性但会相应增加部件的质量． （4） 从应力分布情况看合适的轴承钢硬化层 厚 度 范 围 为 1∙00～2∙00 mm最 佳 的 厚 度 为 1∙50mm左右． ·400· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第4期 韩庆礼等：钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层厚度的优化设计 .401. 参考文献 of a coating substrate composite under an elastic.Hertzian type [1]刘荧，曲周德，王本贤.钛合金TC4的研究开发与应用.兵器 pressure field:eylinder on flat contact geometry.Surf Coat Tech- nol,1998,102,138 材料科学与工程，2005,28(5)：47 [2]鄢建辉，汪久根，禁振慧，单层涂层最佳厚度的有限元分析 [6]Stephens LS,Liu Y,Meletis E I.Finite element analysis of the 机械设计，2004,21(1)：7 initial yielding behavior of a hard coating/substrate system with [3]鄢建辉，汪久根。双层涂层体系最大剪应力分析，浙江大学学 functionally graded interface under indentation and friction.JTri- 报：工学版，2004,38(5)：621 bol,2000,122:381 [4]Kua C H,Keer L M.Contact stress analysis of a layered trans- [7]Komvopoulos K.Finite element analysis of a layered elastic solid versely isotropic half-space.J Tribol.1992.114:253 in normal contact with a rigid surface.J Tribol.1988,110:477 [5]Njiwa R K,Consiglio R.Stebut JV.Boundary element modeling [8]膝志斌.新编常用材料手册.北京：金盾出版社，1994：18 Optimization and design of thickness of bearing steel layer diffusion bonding on tita- nium alloy surface HAN Qingli),LIU Guoquan),WANG Liang2,WANG Andong,XIANG Song) 1)Materials Science and Engineering school.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology,Beijing 100076.China ABSTRACI In order to confirm the appropriate thickness of bearing steel layer diffusion bonding on titanium alloy surface,the elastic modulus of materials was measured by Nano Indenter Il.Stress distribution and inte- grated distortion of the titanium alloy which bonded bearing steel layer were analyzed by finite element simula- tion under press stress,and the thickness of bearing steel layer was optimized and designed.The results show that when the thickness of hardened layer is 0.10-0.50mm,the maximal equivalent stress is located the inter- face of titanium alloy and bearing steel layer,which can easily induce interface cracks;the appropriate thickness of bearing steel layer is 1.00-2.00mm,and the optimal thickness is about 1.50mm. KEY WORDS bearing steel;titanium alloy;diffusion bonding;hardened layer;finite element analysis
参 考 文 献 ［1］ 刘荧曲周德王本贤．钛合金 TC4的研究开发与应用．兵器 材料科学与工程200528（5）：47 ［2］ 鄢建辉汪久根綦振慧．单层涂层最佳厚度的有限元分析． 机械设计200421（1）：7 ［3］ 鄢建辉汪久根．双层涂层体系最大剪应力分析．浙江大学学 报：工学版200438（5）：621 ［4］ Kua C HKeer L M．Contact stress analysis of a layered transversely isotropic half-space．J Tribol1992114：253 ［5］ Njiwa R KConsiglio RStebut J V．Boundary element modeling of a coating-substrate composite under an elasticHertzian type pressure field：cylinder on flat contact geometry．Surf Coat Technol1998102：138 ［6］ Stephens L SLiu YMeletis E I．Finite element analysis of the initial yielding behavior of a hard coating／substrate system with functionally graded interface under indentation and friction．J Tribol2000122：381 ［7］ Komvopoulos K．Finite element analysis of a layered elastic solid in normal contact with a rigid surface．J Tribol1988110：477 ［8］ 滕志斌．新编常用材料手册．北京：金盾出版社1994：18 Optimization and design of thickness of bearing steel layer diffusion bonding on titanium alloy surface HA N Qingli 1）LIU Guoquan 1）WA NG L iang 2）WA NG A ndong 1）XIA NG Song 1） 1） Materials Science and Engineering schoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Aerospace Research Institute of Materials and Processing TechnologyBeijing100076China ABSTRACT In order to confirm the appropriate thickness of bearing steel layer diffusion bonding on titanium alloy surfacethe elastic modulus of materials was measured by Nano Indenter Ⅱ．Stress distribution and integrated distortion of the titanium alloy which bonded bearing steel layer were analyzed by finite element simulation under press stressand the thickness of bearing steel layer was optimized and designed．The results show that when the thickness of hardened layer is0∙10—0∙50mmthe maximal equivalent stress is located the interface of titanium alloy and bearing steel layerwhich can easily induce interface cracks；the appropriate thickness of bearing steel layer is1∙00—2∙00mmand the optimal thickness is about 1∙50mm． KEY WORDS bearing steel；titanium alloy；diffusion bonding；hardened layer；finite element analysis 第4期 韩庆礼等： 钛合金表面扩散焊接轴承钢硬化层厚度的优化设计 ·401·
