TC4钛合金表面激光气体氮化研究

采用光纤激光对TC4钛合金板进行氮化试验,研究氮化层的成型、显微组织和显微硬度。测量了氮化层宽度和深度,拍摄了氮化层表面三维轮廓,拍摄了氮化层横截面显微照片,测量了氮化层显微硬度。实验表明,采用合适的工艺参数进行氮化,氮化层表面呈现TiN特有的金黄色。随激光功率增大,氮化层表面会发生氧化,并且氮化层宽度和深度会增加,深度增加更快一些。氮化层表面的中心光滑、两侧粗糙。氮化层表面形成3～5μm连续TiN层,内部显微组织为粗大的树枝晶,并且有明显的二次和三次枝晶。氮化层显微硬度随深度增大而减小,采用较大激光功率时,氮化层硬度更高。本研究中得到最大氮化层硬度为981 HV,氮化层厚度约800～900μm。     

钛合金激光渗氮机理分析

文中采用激光束辐射+高纯氮气对Ti6Al4V钛合金试样表面进行氮化处理,用气体渗氮进行表面处理,反应生成TiN,从而提高其耐磨性。从氮化后的钛合金试样表面形貌、TiN生成的热力学和动力学等方面分析了表面硬化层生成过程,并且对激光气体氮化生成机理进行了分析,氮的激活、活性氮的吸附、氮的迁移、生成TiN、TiN的扩展、最后熔体凝固,形成激光气体渗氮层。     

工业纯钛TA2激光气体氮化表面硬度的研究

激光气体氮化可以有效地提高钛合金表面硬度，从而改善钛合金耐磨损性能。通过金相组织观察和硬度测试分析了钛合金激光气体氮化时．激光气体氮化参量和激光光束分布对钛合金氮化后表面硬度的影响。结果表明，氮化区域内生成硬质相TiN是TA2钛合金表面硬度得到提高的主要原因，有利于硬质相TiN形成的激光气体氮化参量都会提高钛合金表面的硬度。而采用带式积分镜进行激光光束变换可以有效提高激光氮化处理的效率，钛合金平均表面硬度是原来的1.3倍。     

TC4激光气体渗氮层及其耐腐蚀性能

采用激光气体渗氮工艺可以在TC4钛合金表面生成一层高硬度、高耐磨性的氮化层。主要分析了激光气体渗氮后试样表面宏观状态的变化、渗氮层组织以及渗氮层耐腐蚀性能的变化。通过激光气体渗氮处理后,试样表面粗糙度增加;渗氮层自腐蚀电位相对于TC4钛合金的自腐蚀电位正移了0. 042 4 V,表面耐腐蚀性能增强。     

半导体激光热输入对渗氮层结构和性能的影响

目的 提高Ti-6Al-4V钛合金的表面硬度和耐磨性,解决失效问题。方法 利用半导体激光器在纯氮气氛下对Ti-6Al-4V钛合金表面进行激光渗氮处理,研究激光功率和扫描速度耦合作用下不同热输入对渗氮层质量的影响。分别采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线能谱仪,对渗氮层的物相组成、截面微观组织以及元素分布进行表征,采用显微维氏硬度仪测量渗氮层截面硬度分布。结果 不同热输入下Ti-6Al-4V钛合金氮化区域均生成TiN相,且含量随热输入的增大而增加,渗氮层厚度随热输入的增大呈近似直线增长。渗氮层组织由表及里依次由连续的TiN薄层、柱状晶、树枝晶和针状晶组成,使渗氮层内硬度随层厚的增加呈下降趋势,随热输入的增大,树枝晶中粗枝晶的数量增加,渗氮层硬度也随之增加。然而当热输入较高（320 J/mm）时,渗氮层内产生大量的裂纹。结论 利用激光气体氮化技术,控制热输入为210~275 J/mm时,在Ti-6Al-4V钛合金表面制备渗氮层,其表面成形良好、无裂纹,厚度约为413~517 μm,近表层硬度较基材提高2.5倍以上。     

TC4钛合金表面镀Cu摩擦磨损性能的研究

利用硫酸盐镀铜技术在TC4钛合金表面电镀制备Cu镀层,采用SEM、EDS和STM等方法研究TC4钛合金基体及其镀Cu层的摩擦磨损性能,分析其磨损率、摩擦系数和磨痕形貌,探讨其磨损机理。结果表明:TC4钛合金表面镀Cu可以显著地改善和提高其表面耐磨性,Cu镀层的耐磨性明显地优于TC4钛合金基体;TC4钛合金基体的磨痕呈犁沟形貌,磨损机理为剥层磨损和黏着磨损;镀Cu层的磨痕呈现的是附着的塑性变形后铜磨屑形貌,磨损机理为剥层磨损和疲劳磨损。     

激光气体渗氮工艺对TC4钛合金表面性能的影响

钛合金属于粘性材料,易发生粘着磨损,为提高钛合金件作为摩擦副使用时的寿命,需提高钛合金表面硬度及耐磨性。利用连续激光器在TC4合金表面进行激光气体渗氮,生成金黄色的氮化层。用SEM、EDS、XRD分析试样渗氮层的微观组织、元素分布以及物质组成。结果表明,经激光气体渗氮后在TC4表面生成了以Ti N为增强相的改性层,并且在未渗氮区有黑色粉末状Ti N生成。表层由氮化层、热影响区及母材组成。渗氮层与基材发生冶金结合,结合强度高,不易剥落。随着激光功率的提升,渗氮层厚度及硬度都有所增加。当功率为1 200 W时,钛合金表面渗氮层最高硬度超过1 800 HV0.3,渗氮层厚度也最大。在氮气流量为10 L/min时整个渗氮层中氮元素的含量相对较高。经过激光气体表面渗氮后渗氮层的摩擦系数较基体材料摩擦系数有明显降低,耐磨性更好。     

TA2纯钛表面激光气体氮化工艺研究

采用Nd:YAG激光器在氮气环境中对TA2纯钛进行激光气体氮化处理,研究了不同工艺下TA2纯钛表面激光气体氮化层的宏观形貌、物相组成、显微组织、硬度及摩擦磨损性能。结果表明,经过激光表面氮化处理后,氮化层与基体之间为冶金结合,氮化层的组织主要由细小的、枝晶状的Ti N构成。激光离散氮化可显著降低材料表面的摩擦系数,提高材料的耐磨性能,且氮化强化区域的分布越密集,摩擦系数值越小,耐磨性越好。激光离散氮化还可以提高加工效率,抑制裂纹的萌生。     

氮气气氛下激光表面铝合金化对TC4抗高温氧化性能的影响

为提高钛合金TC4的室温力学性能和抗高温氧化性能,采用激光表面合金化技术在钛合金TC4表面进行铝合金化,氮气作为保护气体,并对合金化层的组织结构、硬度、摩擦磨损性能及抗高温氧化性能进行分析测试。结果表明,在钛合金TC4成功制备出由弥散分布的氮化物作为增强相的富铝合金化层,合金化层厚度约为1 mm,并与基体呈良好的冶金结合。室温下测得的合金化层的平均硬度约为740 HV,平均摩擦系数为0.28,而基体的硬度约为410 HV,平均摩擦系数为0.8。静态空气中800℃保温1000 h的氧化结果表明,合金化层的氧化产物主要为Al_2O_3和TiO_2以及少量的Al_3Ti_5O_2的混合氧化物,单位面积增重5.16×10~(-3)mg/mm~2,而基体氧化产物主要为TiO_2,单位面积增重为1.821×10~(-1)mg/mm~2。氮化物作为弥散增强相的富铝合金化试样的室温力学性能和抗高温氧化性能显著提高。     

微弧氧化处理TC4表面微动磨损性能研究

利用微弧氧化技术在TC4钛合金表面制备高硬度陶瓷涂层,研究其表面抗微动磨损性能。结果显示陶瓷涂层主晶相为Al2TiO5相,硬度不均匀,由结合层向表面呈现先增高后降低的趋势,最高硬度达1150 HV0.05,远高于钛合金基体的硬度。微动磨损试验结果表明,陶瓷层的致密层起到主要防护作用。磨损初期阶段,疏松层脱落、细化、堆积同时伴随摩擦副较为严重的磨损;稳定阶段为滑动磨损,致密层磨损轻微,摩擦副磨损严重,钛合金磨屑由摩擦副向致密层转移。     

钛合金空蚀损伤及防护的研究进展

钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等优势,被广泛应用于诸多工程领域。由于钛合金存在表面硬度低、耐磨性差等缺点,导致其在过流部件中容易发生空蚀损伤,会降低钛合金构件的使用寿命,因此针对钛合金空蚀损伤行为及其防护措施的研究显得极为重要。概述了空蚀现象的作用机理和理论模型,详细介绍了材料自身的力学性能、表面状态、介质类型和溶液温度等对钛合金空蚀行为的影响,着重讨论了针对钛合金空蚀损伤的多种应对措施,如热处理、激光纹理加工、激光气体氮化、化学热处理、离子注入、添加缓蚀剂等技术,总结了相应方法提高钛合金抗空蚀性能的具体原因。其中,热处理技术通过改变钛合金自身的显微组织来提高其抗空蚀性能;激光气体氮化工艺可在钛合金表面形成硬质TiN相,以抵御空泡溃灭时的冲击;化学热处理技术在钛合金表面生成了致密的陶瓷层+固溶扩散层,缓解了空泡的溃灭能,延长了空蚀的孕育期;离子注入技术依靠注入离子在钛合金材料表面产生固溶强化、位错增值强化等效果,降低其空蚀损伤。最后对钛合金空蚀及防护研究的发展方向提出了展望。     

不同压力对 TC4 钛合金真空脉冲渗氮的影响

目的采用不同压力对TC4钛合金进行真空脉冲渗氮处理,提高其表面硬度及耐磨性。方法通过金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计及耐磨试验机分析渗氮硬化层的组织与性能。结果 TC4钛合金经过真空气体渗氮处理后,形成了由Ti N,Ti2Al N和钛铝金属间化合物Ti3Al组成的复合改性层。渗氮压力太低,表面氮化物数量较少,氮化物层较薄;随渗氮压力的增大,表面氮化物数量增多,表面硬度及耐磨性增加。压力为0.015 MPa时,氮化物层表面硬度最大,表面硬度为1100~1200HV,有效硬化层深度为50~60μm。渗氮压力继续增加,表层组织变得疏松,表面硬度及耐磨性开始降低。结论选择合适的渗氮压力和表面氮浓度进行真空脉冲渗氮,可以提高钛合金表面硬度,改善耐磨性。     

钛合金表面激光熔覆 h-BN 固体润滑涂层

目的优化钛合金激光熔覆固体润滑涂层的熔覆工艺参数,提高钛合金表面耐磨性能。方法采用Nd∶YAG激光器,分别在高功率和低功率条件下,在TC4钛合金表面制备h-BN固体自润滑涂层。观察分析熔覆陶瓷层的宏观形貌、物相组成、显微组织和硬度,采用摩擦磨损试验仪对熔覆层的摩擦学性能进行研究。结果低激光功率下,熔覆材料上浮流失严重,熔覆层的相成分主要是Ti N,Ti B,Ti B2等硬质相,硬度较高,存在裂纹。高激光功率下,基材的熔化稀释较好地抑制了润滑相h-BN的上浮,减少了溅射损失,发生了包晶反应,生成了单质金属Ti,熔覆层硬度低,但摩擦磨损试验表明,涂层中润滑相h-BN含量的增加使得形成了更好的润滑膜,降低了摩擦系数。结论在输出电流400 A,脉宽5 ms,频率12Hz,扫描速度120 mm/min,搭接率50%~60%的条件下进行激光熔覆,所得熔覆层的表面状态平整,耐摩擦性能最好。     

钛合金表面激光熔覆Ti/Ni+Si3N4/ZrO2复合涂层组织与性能研究

目的 提高TA15合金的表面硬度,改善其耐磨性能.方法 以Ti/Ni+Si3 N4/ZrO2混合粉末为原料,利用激光熔覆技术,在TA15钛合金表面制备出以ZrO2颗粒和原位生成Ti5 Si3、TiN为增强相,以金属化合物TiNi、Ti2 Ni为基体的复合涂层.采用X射线衍射仪、扫描电镜及能谱仪等手段分析激光熔覆涂层的显微组织及磨损表面,通过硬度测试、摩擦磨损实验,对熔覆层的显微硬度和耐磨性进行评估.结果 熔覆层与基体形成了良好的冶金结合,熔覆层组织中TiNi和Ti2 Ni金属化合物基体上弥散分布着Ti5 Si3、TiN树枝晶和ZrO2颗粒;与不含ZrO2熔覆层相比,含有ZrO2熔覆层组织的晶粒得到细化;熔覆层中原位生成的TiN桥接在裂纹上,具有增韧的作用;熔覆层的显微硬度分布在835~1050 HV区间内,约为基体硬度的3倍左右;在干滑动摩擦磨损下,熔覆层的磨损量约为钛合金基体磨损量的1/6,其主要磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损.结论 熔覆层中高硬度、耐磨陶瓷相和高韧性相的共同配合,显著提高了钛合金表面的硬度和耐磨性.     

IMPROVING THE SURFACE PROPERTY OF TC4 ALLOY BY LASER NITRIDING AND ITS MECHANISM

The mixing technology of laser and heated nitrogen was applied to improve the surface hardness of titanium alloy (TC4). The samples were nitrided with laser power density 0f 6.5×105W·cm-2, the scanning speed various from 100 to 500mm · mm-1. The nitrogen gas was pre-heated to 300℃ to accelerate the nitriding process. Some interested samples were tested with XRD method (X-ray diffraction) to analyze the composition of nitrides, and the surface hardness of HV was measured. The results show that TiN and Ti2N were formed on the surface of Ti alloy with proper nitriding parameters, but TiN is the main composition. The surface hardness increased by three times, which is from the original value of 269 to 794kg· mm -2. The mechanism of the mixing technology is considered mainly of the activation of nitrogen by laser power and the pre-heated process which accelerated the nitriding process. The nitridation process can be considered as six steps given in detail. The result by analyzing the mechanism of improving the surface property of TiAl alloy shows the improvement of surface property due to two factors: the first reason is the result of laser annealing, and the second one is the formation of TiN.     

TC4钛合金表面沉积CrAlSiN涂层的组织与性能

为了提高TC4钛合金表面硬度和耐磨性能,通过等离子渗氮技术和多弧离子镀技术相结合的方法对TC4钛合金进行表面改性处理。通过扫描电镜、维氏显微硬度计、三维轮廓仪、高速往复摩擦磨损试验仪和电化学工作站,对比研究了TC4钛合金、渗氮层和CrAlSiN涂层的显微组织、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能。结果表明,经渗氮处理后,TC4合金表面渗氮层硬度提高了约2倍,在此基础上制备的CrAlSiN涂层的平均硬度高达3222 HV0.025,涂层表面存在少许大颗粒和凹坑;CrAlSiN涂层平均摩擦因数为0.22,磨损机理主要为粘着磨损,对磨副的材料粘着到涂层表面,而涂层几乎无磨损,耐磨性能显著提高。CrAlSiN涂层的自腐蚀电位为-0.542 V,比TC4钛合金基体的自腐蚀电位-0.747 V正移了0.205 V,表明在渗氮层基础上沉积CrAlSiN涂层显著提高了合金的耐电化学腐蚀性能。     

TC4钛合金表面激光熔覆掺Y2O3复合涂层的显微组织和性能

目的提高钛合金表面的耐磨性能。方法在TiB_2:TiC=1:3的粉末配比下,添加不同质量分数Y_2O_3稀土氧化物,制备成膏状混合粉末。采用5 k W横流CO_2激光器,在TC4钛合金表面激光熔覆掺Y_2O_3的TiB_2和TiC粉末,制备耐磨性复合涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对激光熔覆层的微观形貌和组织成分进行了分析;用显微维氏硬度计对熔覆层的显微硬度进行了测量;用万能摩擦磨损试验机对熔覆层的耐磨性能进行了测试。结果添加4%Y_2O_3后,熔覆层中部组织明显细化,结合区由致密组织结构转变为晶须网状结构;熔覆层的最高显微硬度为1404.6HV0.2,是基体的3.7倍;熔覆层的磨损量减少了66.67%,且其摩擦系数有明显的降低。结论添加4%Y_2O_3对TC4钛合金表面激光熔覆TiB/TiC复合熔覆层耐磨性能有显著的提高。     

稀土含量对Ti6Al4V钛合金等离子渗氮层组织和摩擦学性能的影响

目的研究稀土含量对Ti6Al4V钛合金表面等离子体渗氮层结构和性能的影响。方法运用等离子表面改性技术对Ti6Al4V(TC4)钛合金进行等离子渗氮处理,渗氮过程中通入不同含量的稀土作为催渗剂,以获得钛合金表面强化层。利用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察渗氮层组织,用X射线衍射仪(XRD)分析渗层相组成,用能谱仪(EDS)检测渗层的化学成分,用维氏显微硬度计测量渗层的显微硬度,用球-盘式摩擦磨损试验机和三维轮廓仪检测渗层的摩擦磨损性能。结果TC4钛合金表面等离子渗氮层结构包括表面化合物层(主要成分为δ-TiN)和扩散层(主要为N原子扩散形成的N-Ti固溶体),加入稀土可以促进N原子向基体的扩散,提高渗氮速度。渗层厚度增加,硬度和耐磨性能提高,扩散层使钛合金基体与化合物层之间的硬度梯度更加平缓。当稀土通入速率为60 mL/min时,渗层厚度可达155μm,表面硬度为1275HV0.05,摩擦系数降到0.27,磨损率明显降低。结论钛合金等离子渗氮过程中加入稀土可以有效提高渗速,改善渗氮层硬度,提高材料表面的耐磨性能。     

TC6合金柱塞表面改性对耐磨性能的影响

采用离子渗氮、双层辉光离子渗Mo、阴极弧离子镀TiN技术在TC6钛合金基体表面制备了强化层。对比研究了TC6合金基体、各强化改性层、Cr12MoV工具钢在航空煤油中分别与GCr15钢及铜合金(ZCuSb3Ni3Zn3Pb20P)配副对磨时的摩擦学性能,探讨了TC6合金渗氮后抛磨处理对摩擦副磨损行为的影响。结果表明,在航空煤油环境中,以GCr15钢为配副时,TC6合金的表面耐磨性能明显不及Cr12MoV钢;对TC6合金进行表面强化改性处理,离子渗Mo、离子渗氮、离子镀TiN可提高TC6合金表面硬度,显著提高表面耐磨性,但仍不及Cr12MoV钢;TC6合金离子渗氮再经抛磨后处理可减小表面粗糙度,具有较低的摩擦因数,能有效地改善摩擦体系的耐磨性能,获得优于Cr12MoV钢的耐磨性能。