TC4钛合金间歇式真空渗氮工艺研究

作者:张纯;刘静;李远会;李坤茂;潘大超; 刊名:热加工工艺 上传者:谭江华

【摘要】为了改善TC4钛合金的表面硬度,在氮气为正压和负压条件下对其进行间歇式真空渗氮处理。通过X射线衍射、自动维氏硬度测试和电化学极化曲线分析了不同压力下渗氮层的相结构、组织、显微硬度和耐蚀性。结果表明,TC4钛合金经真空渗氮处理后,表层均可获得由TiN_(0.3)、TiN、Ti_3AlN和Al_3Ti等相组成的改性层。在负压下,表层中氮化物数量较少,但渗层较厚,硬度梯度平缓。在正压时,表层氮化物数量增多,渗层厚度及硬度却降低。氮化后的TC4钛合金耐蚀性提高。

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对钛合金进行表面强化处理是提高其表面硬度,改善耐磨性,延长使用寿命的有效措施[1-4]。气体氮化法一直被广泛研究,其原因是相对其他氮化过程而言,该方法不依赖于零件的几何形状,易在表面形成均匀的氮化物层。另外,气体渗氮简单易行,成本较低,是一种经济的表面改性工艺。国外在20世纪80年代就已经开始探索钛合金表面气体氮化技术[5]。近年来,研究者们通过等离子、激光及真空等手段对工业纯钛进行气体氮化处理并研究了其耐磨性[6-7]、弯曲疲劳性能[8]、抗高温氧化性[9-10]和生物相容性[11]等。国内对钛合金气体氮化也有许多研究[12-14]。总体而言,在钛合金的气体氮化中,随氮化膜厚度的增加,由于氮和钛具有很强的亲和力,致密的氮化层将阻碍氮的渗入,同时钛极易被氧化。致密的氧化膜也将阻碍氮向内扩散,因此气体渗氮存在氮化速度慢、渗层薄、表层脆及处理时间长等缺点[15-17]。间歇式低压渗氮技术是以周期反复通/抽气方式进行渗氮,在真空状态下,杂质气氛易被排出、气氛均匀、活性原子比例高,有效增加了吸附速度和反应速率[18-20]。鉴于此,本文采用该技术对TC4钛合金进行表面渗氮处理,探索氮气压力为正、负压时渗层结构与性能的变化规律。(f)-5kPa(b)+15kPa图2不同压力下氮化层的金相显微组织Fig.2Metallographicmicrostructureofnitridelayeratdifferentpressures(a)+25kPa1试验材料与方法试样规格有两种:板状试样25mm15mm1mm和柱状试样准15mm5mm,分别进行电化学腐蚀测试和其他试验。在试验前对试样表面进行打磨抛光,用酒精清洁表面。将试样放入可密封的真空反应炉中进行间歇式真空气体氮化。控制渗氮温度850,渗氮时间6h,渗氮压力为-25、-15、-5、+5、+15、+25kPa。渗氮时,先将炉内抽真空,并进行2~3次洗气;到温后向炉内充入相应压力的氮气,进行0.5h循环充放,直至6h后随炉冷却至室温。采用多晶粉末衍射仪(XRD,D8-Advance)分析渗层的相组成。利用倒置金相显微镜对试样截面渗层金相组织及渗层厚度进行分析。采用MHV-2.0型自动显微硬度仪以载荷0.245N、间距0.015mm纵向沿线对试样截面硬度梯度进行测量。采用Bio-logic电化学工作站测试腐蚀电化学极化曲线,电解液为5%HF+5%HNO3混合水溶液,扫描速度dE/dt=20.0mV/s,扫描范围为-1V到4V,测试方法为动电位扫描法。最后对测得的曲线进行Tafel拟合,计算其腐蚀电位和腐蚀电流。2试验结果与讨论2.1渗层相结构分析图1为TC4合金在不同压力条件下真空渗氮后表面的XRD图谱。可知,原样的XRD峰主要由Ti、Al3Ti组成;TC4经真空氮化后表层形成了TiN0.3、TiN、Ti4N3、Ti3AlN相。渗氮后表层中的Ti及Al3Ti衍射峰强度降低,而TiN0.3、TiN、Ti4N3和Ti2AlN的衍射峰强度增加。在负压时通入的N2分解的活性氮原子浓度较低,表面形成的氮化物含量也相对较少;随着压力的升高,表面活性氮原子量增加,扩散区增大,氮化物随之增加。当活性氮浓度过大时,表面形成的氮化物增多,同时表面晶格间隙急剧减少,氮原子难以向里扩散,导致氮扩散区减少,渗层厚度降低,硬度梯度增大。2.2金相组织分析图2为TC4在不同压力下进行间隙式真空渗氮处理后截面的金相显微组织。可知,不同压力下均可获得白亮色的氮化物层。随氮气压力的降低,氮化层深度有逐渐增加的趋势,当压力为-25kPa时,渗层厚度为

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