TC4钛合金真空渗氮层的耐腐蚀性能

作者:杨闯;刘静;马亚芹;洪流 刊名:材料保护 上传者:柳杨[1]

【摘要】真空渗氮可较好地改善材料表面性能,但目前对其在钛合金中的应用研究较少。采用真空渗氮的方法对TC4钛合金作表面改性,通过X射线衍射仪(XRD)、失重法、电化学测试及扫描电镜(SEM)分析了改性层的形貌、相组成及腐蚀性能。结果表明:经真空渗氮处理的TC4合金在50 m L/L HF+200 m L/L HNO3混合体系中加速腐蚀10 min后,渗层表面基本保持完好,腐蚀速率只有基体的1/145,自腐蚀电位由基体的-0.762 5 V提高到0.511 9 V,腐蚀电流降低2个数量级,真空渗氮极大地改善了钛合金的耐腐蚀性。

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0前言通常,钛合金在空气或含氧介质中表面会形成一层致密的氧化物保护膜,在潮湿的大气以及碱溶液、大多数有机酸溶液、无机盐溶液和氧化性介质中的抗腐蚀性能远大于不锈钢,具有较好的抗点蚀、酸蚀及应力腐蚀性能,但在还原性酸溶液中钝化膜会遭到破坏,容易发生腐蚀,尤其是HF溶液对钛的腐蚀作用最强[1,2]。在实际使用中,钛合金不可避免会与其他金属,如铝、钢、铜及其合金等接触而发生电偶腐蚀[3,4]。钛的氮化物具有摩擦系数低、化学稳定性好及生物兼容性优良等特点[5,6],在钛合金表面形成钛的氮化物层是提高其腐蚀性、抗高温氧化性及耐磨性,延长使用寿命,扩大使用范围的有效措施。对钛合金阳极氧化及微弧氧化可使其表面性能明显改善,但由于形成的膜层较薄,在抗电偶腐蚀及应力腐蚀方面还不能满足实际使用要求。钛合金气体渗氮由于工艺简单、适应性广、成本低、变形小、渗氮均匀、硬度高及耐磨性好,已成为研究热点[7~11]。然而,由于钛与氮有很强的亲和力,氮难以向钛合金内扩散,普通的气体渗氮方法形成的氮化物层较薄,处理时间较长。真空渗氮可极大地提高试样表面的活性,促进活性原子的吸收,加快渗氮速度[12,13]。近年来,真空渗氮技术在合金钢中得到了广泛的应用,而在钛合金中却鲜有报道。本工作采用真空渗氮的方法在钛合金表面制备氮化物;采用失重法、电化学测试及腐蚀形貌观察等对氮化层的耐腐蚀性能进行了研究,为钛合金的推广使用提供了一定的科学依据。1试验1.1基材前处理基材为退火状态TC4钛合金,化学成分(质量分数,%)为6.190Al,4.120V,0.030Fe,0.015C,0.130O,其余为Ti;相变点为976;尺寸为40mm20mm2mm,用酒精进行清洗。1.2真空渗氮真空渗氮在SNJN井式真空炉中进行:将炉内抽真空至5~10Pa,升温至820,保持30min,使试样表面净化、脱气;关闭真空泵,通入高纯氮气,压力0.010~0.015MPa,保温15min后抽真空扩散15min,再行通气渗氮15min,如此反复间歇式通/抽气,周期性渗氮和扩散至10h;随炉冷却至300以下取出试样。1.3测试分析(1)形貌及相组成用JSM-6490LV扫描电子显微镜(SEM)观察渗氮层形貌;用PW1800型X射线衍射仪(XRD)分析渗氮层的相组成。(2)腐蚀失重腐蚀前先对试样用GT-2A精密分析天平称重,然后将其浸入50mL/LHF+200mL/LHNO3混合溶液中,腐蚀10min后取出,去除腐蚀产物;蒸馏水冲洗后无水乙醇擦洗,冷风吹干,再称重。腐蚀速率计算公式如下:v=mSt式中v腐蚀速率,m/minm试样失重,g金属材料密度,g/cm3S试样面积,cm2t腐蚀时间,min(3)电化学行为利用Bio-logic电化学工作站测试极化曲线:介质为50mL/LHF+200mL/LHNO3混合腐蚀液,测试温度为室温,扫描速率为20mV/min,动电位扫描范围为-2.5~5.0V;参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂电极,试样为工作电极,工作面积为1cm2。2结果与讨论2.1渗氮层的形貌与相组成图1为TC4钛合金经真空渗氮处理后截面的SEM形貌。由图1可知:TC4钛合金经820真空渗氮10h后,改性层与基体结合紧密,由表面氮化物层、次表面氮扩散区及基体组成,氮化物层厚度约为50~60m,平整致密。采用真空渗氮,通过周期性循环抽/充气,不断循环抽真空,使工件表面的滞留气薄层遭到破坏,有效地阻止了气体在工件表面形成吸附层,增加了表面活性,从而提高了氮在工件表面的吸附能力;新鲜氮气不断注入,使炉内气氛不断更

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