TB8钛合金真空渗氮层的组织及耐腐蚀性能

作者:杨闯;刘静;马亚芹;洪流; 刊名:材料保护 上传者:汪红

【摘要】目前,对TB8钛合金的研究主要集中在热处理工艺及机加工方面,对其表面改性尤其是耐蚀性研究不多.为了提高TB8钛合金的腐蚀性能,对其进行真空渗氮.利用XRD、SEM、失重法及电化学测试等方法,考察了渗氮层的组织和耐腐蚀性能.结果表明:TB8钛合金经真空渗氮后表面物相主要有TiN、Ti3AlN和AlaTi,改性层的厚度为60~70 μm.在氢氟酸和硝酸中进行加速腐蚀,其腐蚀速率仅为基体的1/175,表面膜层未出现明显的腐蚀坑,腐蚀电流降低3个数量级,自腐蚀电位由基体的-0.651 1 V提高到0.107 8 V,耐腐蚀性能得到了明显提高.

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0前言TB8钛合金是我国新研制的一种新型亚稳定型钛合金,含有较多的Mo,因而极大改善了抗氧化性及抗腐蚀性,属于超高强度钛合金。该钛合金具有低温成型、焊接性、生物兼容性优异以及弹性模量较低等优点,在我国航天航空、机械制造及生物医学领域得到了较为广泛的应用。一般情况下,钛属于热力学不稳定金属,具有较负的致钝电位,易发生钝化,而且氧化膜极为稳定,钛合金具有抵抗大气、含氧介质、有机溶液、碱性介质及无机盐腐蚀的能力。但钛合金容易受到还原性酸特别是氢氟酸的腐蚀[1,2];与此同时,钛合金作为承力构件,实际使用中不可避免与结构钢、铝合金及铜合金等其他异种金属接触,受剪切、微动磨损、拉伸、压缩、弯曲及疲劳等共同作用,受力情况复杂,易导致氧化膜破裂,发生应力腐蚀和电偶腐蚀[3,4]。钛与氮反应形成的钛的氮化物具有硬度高、化学稳定性好及摩擦系数低等优点[5~9],因此,对钛合金进行表面渗氮处理,可有效地改善其表面硬度和耐腐蚀性能[10]。目前,对TB8钛合金的研究主要集中在热处理工艺及机加工方面,而对其表面改性特别是耐腐蚀性能方面鲜有报道。真空渗氮具有渗层厚,时间短,氮化物层稳定性好等优点[11]。为此,本工作对TB8合金进行间歇式真空渗氮处理,结合表面腐蚀形貌、腐蚀失重和电化学测试等方法综合评价其表面渗氮层的耐腐蚀性能。1试验1.1基材前处理试验材料为TB8钛合金,其化学成分(质量分数,%)为15.31Mo,3.22Al,2.85Nb,0.03Fe,0.16Si,其余为Ti,相变点(+/)为812,试验试样为退火态,尺寸为4.0cm2.0cm0.2cm。1.2真空渗氮真空渗氮选用SKGLG管式炉,试验温度820,渗氮压力为0.010~0.015MPa,时间2h。渗氮过程具体如下:将酒精清洗后的试样装入炉中,用氩气驱赶炉内空气,用真空泵将真空抽至5~20Pa,然后将炉温上升到试验温度820,保温1h后将真空泵关闭,接着向管式炉中通入高纯氮气,渗氮一定时间后,再抽真空保持一定时间,然后通气渗氮,循环该工艺操作过程,试验结束后取出试样进行测试。1.3性能测试在50mL/LHF+200mL/LHNO3的混酸体系中进行加速腐蚀和电化学测试,以腐蚀速率、腐蚀形貌结合腐蚀电化学数据衡量试样的耐腐蚀性能。将相同尺寸的TB8钛合金原始试样及渗氮试样放入混酸体系中进行加速腐蚀10min,腐蚀速率v计算公式如下:=WAt式中v试样的腐蚀速率,本试验为加速腐蚀,m/minW试样的腐蚀失重量,g试样的密度,g/cm3A试样的面积,cm2t试样的腐蚀时间,min用OLYMPUS型光学显微镜和JSM型扫描电镜进行渗层组织及腐蚀形貌分析。用Bio-logic电化学工作站进行电化学分析,以渗氮试样及原样为工作电极,扫描速率20mV/min,动电位扫描范围-2.5~5.0V。2结果与讨论2.1渗氮层的组织与相组成图1为TB8钛合金经820间歇式渗氮2h后渗氮层的XRD谱。由图1可知,TB8钛合金经真空渗氮后表面物相主要有TiN、Ti3AlN、Al3Ti及-Ti。对钛合金气体渗氮的扩散行为进行分析认为:钛合金气体渗氮时,由于Ti与N的亲和力比Al强,Ti与N将优先结合生成钛的氮化物,大量钛的氮化物形成,使得TiN/Ti的界面处Ti含量减少,造成该处Al含量增加,Al将发生聚集,当Al含量达到饱和后,最后生成钛铝氮化物[12]。图1表面渗氮层的XRD谱图2为TB8钛合金真空渗氮2h后氮化物层的金相组织。由图2可知,TB8钛合金经真空渗氮后截面渗氮层组织表层为钛的氮化物层,次表层为氮扩散区,基体组织为单一

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