钛合金的表面强化技术

优胜编程龚老师

钛合金的表面强化技术：



1、钛合金表面强化技术的发展

从钛中合金元素与表面硬度的关系能够看出， 对硬 度影响明显的元素是氮、 氧及碳， 钛的表面强化技术， 总的 来看是在钛合金表面形成分布均匀具有一定深度和结合 TiN、 TiAlN 及金属化合物等硬化层。钛 强度的 TiO、 TiC、 合金的表面处理大致经历了以电镀、 化学镀、 热扩散、 镀膜 为代表的传统强化， 发展到等离子体、 离子束、 电子束等现 代表面强化技术， 目前钛合金的表面强化技术正朝着多种 技术综合应用以及膜层结构设计即多层复合膜层的研究制备方向发展。近年来， 制备出具有纳米结构的表层， 以改善材料的表面耐磨、 疲 腐蚀等性能。 劳性能，

2、钛合金表面强化技术的研究现状与进展分析

2. 1 渗氮处理
真空渗氮是在真空条件下， 将钛合金加热至一定温 通入高纯氮气， 经过一段时间保温在钛合金表面形成 度， Ti2 N 和 TiN 渗氮层， 从而达到提高耐磨性的目的， 经过渗 氮后显微硬度可达 HV1000 以上。真空渗氮较易实现， 成 但是由于真空渗氮对工件整体长期高温加热， 容 本较低， 易造成氮化层开裂或剥落， 存在氮化速度慢、 渗层薄、 渗层 脆等缺点。 等离子体渗氮是利用辉光放电进行， 在等离子体渗 等离子状态的氮离子被电场加速， 撞击工件， 离 氮过程中， 子动能转变为热能， 使工件温度升高， 同时通过离子冲击 时的溅蚀作用及扩散作用， 使氮向工件表面内部扩散， 达 1〕选用纯氮、 到氮化的目的。文献〔 氮—氢混合气体、 氮—氩混合气体作为氮化源， TC4 钛合金进行了离子氮 对 TC 化处理， 940 ℃氮化 2 h， 4 合金表面硬度可提高 4 倍 在 左右。等离子渗氮表面硬度好， 且硬度均匀， 但是成本较 高， 效率低， 限制了这种技术在实际生产中的应用。

2. 2 气相沉积
CVD 法是通过气相反应在固态钛基材上沉积出所要求的化合物。可以获得 15 μm ～ 25 μm 的厚度， 致密的复合涂层， 应用广泛。在钛合金基体上沉积 TiC、 Ti （ C， N） 等涂层可以极大地提高钛合金的表面性能， 获得硬度 〔〕 2 耐磨性好、 耐高温和耐腐蚀的表面 ， 但是常规 CVD 高、  〔〕 8 〔〕 7 一般要在较高的温度（ 100 ℃ ～ 1 100 ℃） 下进行， 容易引 起基体组织的结晶、 再长大等变化， 降低工件的强度和影 响工件形状和尺寸。因此降低沉积温度成为需要解决的 重要问题。

PVD 法是用物理方法在基体表面沉积所需的涂层， 广泛采用磁控溅射。目前利用 PVD 法已经可以较好的在 〔〕 3 TiC、 Ti N） 钛基体表面得到 TiN、 SiC、 （ C ， 等涂层 。但 PVD 法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。

2. 3 等离子喷涂

等离子喷涂是将喷涂粉加热至熔化或熔融状态， 在 喷射到基材表面形成涂 等离子射流加速下获得很高速度， 层。等离子喷涂温度高、 速度快， 涂层不容易被氧化， 可以 形成致密度很高的涂层， 能大幅度提高材料的耐蚀、 耐磨、 抗氧化性能。Zhao 等 用等离子喷涂对 Ti － 6Al － 4V 合 金进行处理， 原位形成 TiN， 显著提高了钛合金耐磨性。 等离子喷涂已被广泛用于航空航天及民用部件的处理， 在 工业上有广泛的应用前景。但喷涂后涂层表面较粗糙， 因 为喷涂速度高， 喷涂不易控制， 对喷涂复杂零件比较困难， 易产生强紫外线污染。

2. 4 激光表面强化

激光融覆是在基体表面添加融覆材料， 经高能量密 融覆材料及基底材料表面薄层发生熔 度激光束辐照加热， 化， 从而在基底材料表面形成融覆层。激光融覆陶瓷涂层 可极大地提高钛合金表面的性能， 处理速度快， 使用范围 TiC 广。钛合金表面激光强化是在其表面涂覆 TiN 涂层、 Ti5 涂层、 － Si3 等陶瓷相， 以提高表面硬度及耐磨性。经 过激光融覆的试样表面显微硬度， 可达到 800 HV ～ 3 000 HV。Liu〔5〕等利用激光融覆成功获得了 TiC / Ti 功能梯度 材料， 硬度达到 HV 2300 左右， 并获得了良好的硬度梯度。 但是激光融覆得到的表面一般都很粗糙， 光洁度差， 硬化 在融覆层和基体之间很容易引起开裂， 融 层薄且不均匀， 覆层内部也会出现气孔和裂纹， 且设备昂贵。这些都限制 使其 了激光表面融覆的进一步应用。如何克服这些缺点， 可以应用于生产实践将成为今后研究的重要方向。

2. 5 钛合金的表面纳米化
近年来， 纳米技术有了一定的应用和发展， 钛合金的 表面纳米化是利用各种物理或化学方法将材料的表层晶 粒细化至纳米级， 制备出具有纳米晶结构的表层以提高钛 〔〕 6 合金的表面性能。Xi 等人 利用喷射电沉积法对 Ti － 48Al － 2Ag 材料表面进行了纳米化处理， 在合金表面获得 了 Al2 O3 的纳米结构组织， 使钛合金的耐蚀性显著提高。 吕坚等人 利用高速喷丸表面纳米化在材料的表面制备 出了一层超大面积表层纳米材料。卢柯等 将表面纳米 经过表面纳米 化和渗氮处理结合起来收到了很好的效果， 化处理后再进行渗氮的材料， 在耐腐蚀性、 表面硬度、 耐磨 性等方面都得到了极大的提高。钛合金表面纳米化和其 它表面处理工艺结合起来的报道则还没有。可以预测的 是将钛合金表面纳米化和其他表面强化方法结合起来可 以取得良好的结果， 这有可能成为钛及钛合金表面处理的 一项新技术。



2. 6 多组元和多层复合表面处理
钛合金的表面强化如果通过其它化合物进行合金 或者用其它金属部分或全部取代这些化合物中的钛来 化， 〔〕 9 达到表面性能的改善 ， 这样得到的就是多组元的涂层。 多组元涂层可以极大提高钛及钛合金的表面性能。例如： Ti （ C， 层表现出最高的硬度， 层则表现出与基体更 N） TiN （ Al） 好的结合力， Ti， N 层表现出好的高温稳定性。研究 （ Al） 并且可以 表明，Ti， N 钻头的寿命是 TiN 的两倍以上， 在比 TiN 钻头高得多的切削速度下工作。在 TiN 中加入 C 就会形成 Ti（ N， 化合物， C） 可得到了硬度极高、 耐高温 N） 和耐磨损都很好的 Ti（ C， 化合物。 〔 〕 10 研究 N） 了 Ti（ C， 层， 结果表明： 表面硬度由大约 200 HV 提高到 2 000 HV。 多层涂层可以改善韧性、 提高耐腐蚀性、 提高抗开裂 性和细化晶粒等。例如： TiN 与基体更好的结合力， 在钛 合金的表面处理中可以在钛金属表面预先镀上一层韧性 （ Al） Ti 将它作为间隔层， 然后将 TiC、 Ti ， N、 较好的 TiN， （ C， 、 N） TiB2 和 CrN 等镀在 TiN 层上组成多层结构。由此 得到的多层镀层可以极大改善镀层的韧性、 耐腐蚀性和耐 又高于单 磨性。Matsuura 等TiN / CrN 的抗氧化性能既高于单层 TiN， 层 CrN。多组元涂层、 多层涂层以及多组元和多层涂层的 结合正在成为钛合金表面处理研究的新方向。


3、展望
表面强化技术是提高钛合金性能的有效途径， 随着 钛合金表面热处理的 钛合金应用领域的日益扩展和广泛， 研究将更为深入。把表面工程和材料学紧密结合在一起， 经过深入研究， 建立基于可靠性、 优化目标， 通过优化设 多种表面处理方法综合应用， 结合各种表面处理工艺 计， 技术的特点， 制备出多层复合覆层从而得到综合性能更加 优良的表面改性层， 简化表面处理工艺， 降低成本是未来 钛合金的表面强化技术的发展趋势。