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钛金属表面气体元素扩散耐磨处理技术的发展

李争显 张雪峰 陈敏 李伟 罗小峰

李争显, 张雪峰, 陈敏, 李伟, 罗小峰. 钛金属表面气体元素扩散耐磨处理技术的发展[J]. 钢铁钒钛, 2021, 42(6): 28-35. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.06.003
引用本文: 李争显, 张雪峰, 陈敏, 李伟, 罗小峰. 钛金属表面气体元素扩散耐磨处理技术的发展[J]. 钢铁钒钛, 2021, 42(6): 28-35. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.06.003
Li Zhengxian, Zhang Xuefeng, Chen Min, Li Wei, Luo Xiaofeng. Development of gas element diffusion wear-resistant treatment technology on titanium surface[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2021, 42(6): 28-35. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.06.003
Citation: Li Zhengxian, Zhang Xuefeng, Chen Min, Li Wei, Luo Xiaofeng. Development of gas element diffusion wear-resistant treatment technology on titanium surface[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2021, 42(6): 28-35. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.06.003

钛金属表面气体元素扩散耐磨处理技术的发展

doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2021.06.003
基金项目: 攀枝花市钒钛产业领军人才集聚攻关计划项目:钛及其复合材料深加工与表面处理创新团队建设(攀科发(2020)43号)。
详细信息
    作者简介:

    李争显(1962—),男,陕西武功人,博士,教授,博士生导师,研究方向:稀有金属材料表面技术处理及涂层材料,E-mail:lzxqy725@163.com

  • 中图分类号: TF823

Development of gas element diffusion wear-resistant treatment technology on titanium surface

  • 摘要: 针对近年来钛及钛合金表面气体元素扩散耐磨处理技术的研究进展进行了总结梳理。认为对钛合金表面进行渗氧、渗氮和渗碳耐磨处理,都可以起到提高表面硬度,改善表面耐磨性能的效果,结合真空和等离子体等技术,可以使得扩散层厚度增加,但需要结合工艺选择恰当的参数,不然会对材料力学性能带来较大的影响。另外耐磨状态是多样的,没有一种耐磨层能够适合于所有的摩擦环境;同时现代的服役环境更趋于复杂,不仅要求耐磨,还有耐蚀、导电等其它功能方面的要求,这样,就需要材料表面设计者,依据服役的苛刻条件,结合多场的相互作用关系,在现有表面技术的基础上设计和创新。
  • 图  1  TC4真空渗氧后表面的XRD图谱

    Figure  1.  The XRD pattern of the surface of TC4 after vacuum oxygenation

    图  2  TC4真空渗氧后的表面硬度分布

    Figure  2.  Surface hardness distribution of TC4 after vacuum oxygenation

    图  3  TC4钛合金真空渗氧后的表面磨痕

    Figure  3.  Surface wear marks of TC4 after vacuum oxygenation

    (a) 600 ℃;(b) 680 ℃;(c) 760 ℃;(d) 840 ℃

    图  4  钛合金表面辉光渗碳原理示意

    Figure  4.  Principle of glow carburizing on titanium alloy surface

    图  5  TC4渗碳层形貌

    Figure  5.  Carburizing layer morphology of TC4

    图  6  TC4渗碳层表面层相构成

    Figure  6.  Surface layer phase composition of TC4 carburizing layer

    图  7  三种温度下渗层的厚度随时间的变化曲线

    Figure  7.  Variation curve of the thickness of the permeable layer at different temperatures with time

    图  8  典型渗碳条件下渗层硬度的变化曲线

    Figure  8.  Variation curve of hardness under typical carburizing conditions

    图  9  摩擦后的划痕显微照片

    (a) 钛合金表面划痕(×500倍);(b) 钛合金表面无氢渗碳划痕(×2500倍)

    Figure  9.  Micrograph of scratch after friction

    图  10  摩擦系数曲线

    Figure  10.  Friction coefficient curve of the sample

    表  1  氮化试样的力学性能

    Table  1.   Mechanical properties of Ti after nitrided

    试样σb/MPaσ0.2/MPaδ/%ψ/%ak/(J·cm−2)
    纯钛52142027.662.078.6
    钛氮化46836123.254.846.5
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    表  2  钛金属氮化后力学性能对比

    Table  2.   Comparison of mechanical properties of titanium and titanium alloy after nitriding

    材料热处理σ0.2/MPaσb/MPaΦ/ %Ψ/ %

    Ti
    退火2463833969
    氮化1)2633843664
    Ti-6Al-4V退火900950748
    氮化2)9259741345

    Ti-15Mo-5Zr-3Al
    退火97510011340
    氮化3)8759011247
    注:渗氮工艺参数:1)为850 ℃, 9 h;2)为850 ℃, 15 h;3)为750 ℃, 60 h。
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    表  3  钛金属不同气体离子氮化后的表面硬度

    Table  3.   Surface hardness of titanium after nitriding with different gas ions

    材质处理状态表面硬度(HV)
    温度/℃时间/h气源

    TA2
    未处理189~200
    9402N2/H2=11150~1620
    9402纯N21200~1450
    9402N2/Ar=11385~1540

    TC4
    未处理380~400
    8002N2/Ar=1800~1100
    9402N2/H2=11385~1670
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    表  4  钛金属无氢渗碳前后力学性能对比

    Table  4.   Comparison of mechanical properties of titanium alloy before and after hydrogen-free carburizing

    试样σ0.2/MPaσb/MPaΦ/ %Ψ/ %
    TC4 998 965 14.5 47
    TC4渗碳1 1000 1049 19.0 50
    TC4渗碳2 1013 1058 18.0 52
    TC4渗碳3 1017 1074 17.5 49
    TC4渗碳4 1035 1080 17.5 50
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  • 收稿日期:  2021-12-03
  • 刊出日期:  2021-12-31

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