TC4合金表面等離子滲Zr及Zr-N復(fù)合滲層制備及性能研究.pdf

1、鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）作為重要的工程合金材料具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、化工和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)。但是TC4較差的摩擦學(xué)性能以及在H2SO4等還原性介質(zhì)中耐腐蝕性能的不足，限制了其在發(fā)動(dòng)機(jī)閥門、渦輪增壓器和腐蝕等領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　利用雙輝等離子表面合金化技術(shù)在TC4表面形成Zr合金層，然后再進(jìn)行離子滲氮處理，在鈦合金表面形成的滲Zr合金層及Zr-N復(fù)合滲層具有良好的耐磨和耐腐蝕

2、性能。本文研究了雙輝等離子Zr合金化溫度對(duì)Zr合金層組織、相結(jié)構(gòu)以及顯微硬度的影響，并分別對(duì)Zr合金層及Zr-N復(fù)合滲層的形成機(jī)理進(jìn)行了初步研究。對(duì)比未處理的TC4基材，分析了TC4經(jīng)滲Zr與Zr-N復(fù)合滲后的摩擦學(xué)性能以及在10％H2SO4溶液中的電化學(xué)行為，同時(shí)對(duì)其改性機(jī)制進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明:
　　(1)雙輝等離子表面合金化技術(shù)可以在TC4表面制備出組織均勻致密的Zr合金層，合金層與基體之間以擴(kuò)散層結(jié)合。Zr合金層厚度隨

3、著滲Zr溫度的提高而增加，800-900℃形成的Zr擴(kuò)散層厚度約為40-80μm。TC4滲Zr后表面主要由Zr在α-Ti或β-Ti中形成的固溶體組成，α相隨滲Zr溫度升高逐漸增多，而β相則逐漸減少。滲Zr后表面粗糙度隨滲Zr溫度的提高而增加。Zr含量及硬度沿合金層逐漸降低，合金層硬度較基體明顯提高。
　　(2)850℃滲Zr合金經(jīng)后續(xù)離子氮化后形成的Zr-N復(fù)合滲層中氮化層厚度約4μm，Zr擴(kuò)散層深度較單純滲Zr層增加30μm左右

4、。Zr-N合金層表面主要由ZrN、少量TiN0.3與AlN組成，其顯微硬度較單純滲Zr合金層硬度明顯提高，并沿合金層梯度遞減。
　　(3) TC4滲Zr后在載荷為2N、5N時(shí)的平均摩擦系數(shù)約0.2和0.15，均小于未處理的TC4基材（0.45和0.32），比磨損率分別是TC4基材的48％和56％，減摩和耐磨性能得到一定程度的改善。載荷為10N時(shí)，Zr合金層被磨穿，摩擦系數(shù)較大(0.55)，但其比磨損率是TC4基材的55％，仍具有一

5、定的耐磨作用。Zr的固溶強(qiáng)化作用是TC4滲Zr后耐磨性得以改善的主要原因。此外，合金層中硬度呈梯度變化對(duì)載荷的壓入起到的支撐作用也是耐磨性提高的原因之一。
　　(4) TC4經(jīng)過Zr-N復(fù)合滲后表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩和耐磨性能。在2N、5N、10N載荷作用下，Zr-N復(fù)合滲試樣的摩擦系數(shù)分別為0.1、0.13、0.25，均低于相應(yīng)載荷下TC4基材的摩擦系數(shù)(0.45、0.3、0.3);比磨損率分別是TC4基材的7％、1％和9％。Zr-N

6、復(fù)合滲后除了Zr的固溶強(qiáng)化及硬度梯度支撐作用外，氮化物的彌散強(qiáng)化是Zr-N復(fù)合滲層耐磨性明顯提高的主要原因。
　　(5) TC4經(jīng)800℃、850℃和900℃不同溫度滲Zr后在10％H2SO4硫酸溶液的耐腐蝕性能較未處理的TC4基材明顯提高，其中900℃滲Zr合金層的耐腐蝕性能最佳。800℃、850℃和900℃滲Zr試樣的自腐蝕電位分別為-47 mV、-50 mV和-72 mV,較未處理基材的自腐蝕電位(-280 mV)明顯正移;

7、腐蝕電流密度分別為3.16×10-2μA.cm-2、3.10×10-2μA.cm-2和3.02×10-2μA.cm-2，均比基材(3.50×10-1μA.cm-2)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí);維鈍電流密度分別為6.27μA.cm-2、6.33μA.cm-2和3.27μA.cm-2，較基材（8.90μA.cm-2）也明顯下降。TC4滲Zr后交流阻抗譜的電阻值均大于未處理基材。Zr暴露在空氣中時(shí)表面易形成一層致密的ZrO2氧化膜，這層ZrO2惰性膜使

8、Zr及其合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。900℃形成的Zr合金層由于表面Zr及α相含量較高而顯示出較好的耐蝕性。
　　(6) TC4經(jīng)Zr-N復(fù)合滲后在10％H2SO4硫酸溶液的耐腐性能較單純滲Zr得到進(jìn)一步提高。Zr-N復(fù)合滲試樣的自腐蝕電位為266mV，較900℃滲Zr的自腐蝕電位明顯正移。與單純滲Zr相比，Zr-N復(fù)合滲后的腐蝕電流密度（2.51×10-2μA.cm-2）和維鈍電流密度(0.63μA.cm-2)明顯降低，其交流阻抗