钛合金(TC4)表面纳米化对气体渗氮及性能的影响

摘要

本文选用国内应用最广，产量最大的TC4(Ti-6Al-4V)合金作为研究对象。使用超音速微粒轰击技术(SFPB)实现合金的表面纳米化，利用显微硬度仪、X射线衍射仪(RD)扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对表面纳米化样品做结构表征，归纳总结了钛合金表面纳米化机制，评定和分析了表面纳米化的硬度、耐磨性、耐蚀性等。对表面纳米化30分钟的样品和原始样品进行气体渗氮，通过对比金相组织和显微硬度来观察SFPB处理对气体渗氮行为的影响，最后，对渗氮后样品进行了摩擦磨损及耐蚀性能检测，主要结果如下:
　　1.通过SFPB技术在材料表面形成不同深度的变形层，随处理时间增长，变形层厚度也增加，SFPB同时也提高了钛合金的表面硬度。30分钟SFPB处理的变形层厚度约为77μm，强烈塑性变形层约为20μm，表面硬度达到613 HV0.02比基体硬度(328)提高了近一倍。
　　2.SFPB处理30分钟实现了钛合金(TC4)的表面纳米化，在钛合金(TC4)表面形成了大约20μm厚的纳米晶组织表层，表层平均晶粒尺寸为15.566nm，随着距表面深度的增加，晶粒逐渐由随机取向的等轴状纳米晶变成具有择优取向的不规则形状的亚微米晶，晶粒细化逐渐变得不均匀。
　　3.钛合金常规气体渗氮温度为770～870℃，时间为16～22h。表面纳米化优化了渗氮工艺，650℃渗氮9h处理面便有不连续的白亮层出现，700℃渗氮6h时，处理面已有约13μm的白亮层，而且白亮层比较均匀致密，未处理面没有明显的白亮层出现，同样的工艺下，处理面的渗氮速率要快得多。
　　4.面纳米化的基础上渗氮，降低了摩擦系数，减少了磨损量，提高了钛合金(TC4)的耐磨性。表面纳米化处理降低了钛合金(TC4)在3.5％NaCl溶液中的耐蚀性，但气体渗氮后由于形成了化合物层，耐蚀性又得到了提高。