TC4钛合金低压真空氮化改性层的制备与性能

作者:杨闯;彭晓东;刘静;马亚芹;王华 刊名:材料工程 上传者:刘树锋

【摘要】采用低压真空渗氮的方法,在TC4钛合金表面制备了与基体结合良好的改性层。通过金相观察、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析了表面改性层的组织结构,并对改性层的显微硬度及耐磨性进了测试。结果表明:TC4钛合金经低压真空渗氮处理后,表面可获得由TiN和Ti2AlN组成的氮化物改性层,组织均匀致密,氮化物颗粒细小,硬化层与基体结合良好,表面硬度为1100~1200HV,心部硬度为300~320HV,硬化层深度可达60~70μm,硬度梯度平缓,耐磨性优良。

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YANGChuang1,2,PENGXiao-dong1,LIUJing2,MAYa-qin2,WANGHua2(1CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2SchoolofMaterialsandArchitectureEngineering,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550025,China)钛合金比强度高,耐高温、耐腐蚀性好,具有良好的低温韧性,生物相容性,因而被广泛应用于国防、化工、能源、航空航天和生物工程等领域[1]。但钛合金表面硬度不高,耐磨损性及耐疲劳性差,易和许多材料发生黏着磨损,导致钛合金使用寿命低,在很多情况下不能满足实际生产应用的要求,从而限制了它的应用[2-4]。氮化钛是一种新型的多功能金属陶瓷材料,具有高硬度、低摩擦因数、优异的化学稳定性、良好的生物兼容性和导电性等优点,广泛用于机械、电子、医学、装饰等领域[5-8]。赵斌等[9]采用石英管炉用氨气对钛合金进行渗氮,耐磨性较未渗氮试样提高近两倍。郭爱红等[10]采用磁控溅射的方法在Ti6Al4V钛合金表面制备了TiN薄膜,明显提高了钛合金的生物相容性和耐磨性,唐光昕等[11]用离子轰击处理在TC11钛合金表面制备了由TiN和Ti2N组成的硬化层,硬度得到明显提高。有研究者[12-14]对钛合金表面进行激光气体氮化,得到了高硬度的耐磨改性层。可见,渗氮是提高钛合金表面性能的有效方法。但是,由于氮和钛具有很强的亲和力,难于向内扩散,同时钛合金极易氧化,常规气体渗氮时间长达50h以上,渗层厚度仅为4m,非平衡磁控溅射由于膜层和基体间存在明显的界面,结合强度差,涂层薄,导致许多性能指标不是很理想,离子渗氮不能对一些复杂的零件进行处理,且设备昂贵,激光氮化处理由于高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作用,使熔覆层中产生极大的热应力,极易产生裂纹。因此,如何在钛合金表面形成高硬度、耐磨性优良、与基体结合强度好及渗层厚的氮化物改性层依然是目前研究的难题和重点。本工作拟采取低压真空渗氮的方法,在TC4钛合金表面制备氮化物改性层,以改善其表面性能,并对改性层的组织与性能进行研究,为钛合金的广泛应用提供技术支持。1实验材料与方法实验材料为TC4钛合金。其化学成分(质量分数/%)为:6.19Al,4.12V,0.03Fe,0.015C,0.13O,其余为Ti。从退火态TC4钛合金棒材上线切割截取试样,尺寸为15mm10mm,渗氮前先用5g/L氢氟酸+200g/L硝酸进行清洗。低压真空渗氮在SNJN井式真空炉中进行,渗氮温度为820,渗氮时间为10h。实验时,首先将炉内真空抽至5~10Pa,升温至820,然后保持30min,使试样表面净化、脱气,接着关闭真空泵,向炉内通入高纯氮气,压力为0.01~0.015MPa,保温一定时间后又抽真空扩散一定时间,再行通气渗氮,如此反复间歇式通/抽气,进行周期性渗氮和扩散至10h后随炉冷至300以下取出试样进行分析和测试。对比实验采用820,氮气压力为0.01~0.015MPa,低压直接渗氮10h。利用OLYMPUS型光学显微镜进行截面组织分析,用JSM-6490LV扫描电镜(配置INCA-350型X射线能谱仪)进行SEM形貌分析,用PHILIPS型X衍射仪(XRD)分析膜层的相组成,用金相法结合硬度法测试硬化层厚度,用MHV-2000型显微硬度计测量试样的硬度,载荷0.98N,加载时间15s,测试硬度

参考文献

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