王佳杰 許建平 王春艷 王慧文 范永濱

(1.黑龍江工程學院 材料與化學工程學院,哈爾濱 150050； 2.中國兵器工業(yè)集團公司 哈爾濱建成集團有限公司，哈爾濱 150030)

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鈦合金表面脈沖電弧熔覆TiN組織與性能研究

王佳杰1許建平1王春艷1王慧文1范永濱2

(1.黑龍江工程學院 材料與化學工程學院,哈爾濱 150050； 2.中國兵器工業(yè)集團公司 哈爾濱建成集團有限公司，哈爾濱 150030)

以氮氣作為保護氣體和反應氣體，利用脈沖電弧在Ti6Al4V鈦合金表面制備TiN陶瓷涂層，借助SEM，XRD等分析手段研究TiN熔覆層的微觀組織和物相組成，給出脈沖電流模式電弧制備TiN熔覆層特點。結果表明，相對于直流電弧而言，在相同焊接熱輸入下，脈沖氮氣電弧能夠有效地提高TiN熔覆層厚度和寬度，原因是脈沖電流提高了N離子濃度，有利于TiN熔覆層形成。TiN熔覆層具有明顯的(200)擇優(yōu)取向，脈沖模式下TiN衍射強度增加。脈沖模式下TiN熔覆層的顯微硬度高于直流模式，脈沖電流200 A時，TiN顯微硬度達到2 600 HV，是Ti6Al4V合金的7.4倍。

Ti6Al4V鈦合金 TiN 氮氣電弧

0 序 言

鈦及鈦合金具有一系列優(yōu)異特性，例如：高比強度、優(yōu)異耐蝕性、良好的熱強性、良好的生物相容性等，被廣泛地應用于汽車、航空、航天及生物醫(yī)學等領域[1]。但這種材料存在著耐磨性能差的缺陷，限制了它的廣泛應用。為了提高鈦及鈦合金表面的硬度和耐磨性，出現(xiàn)了多種表面陶瓷涂層制備方法[2-3]，包括：物理氣相沉積、化學氣相沉積及激光熔覆等工藝[4-5]，然而上述這些方法存在工藝復雜、成本高及需要特殊環(huán)境等不足。

電弧具有工藝簡單和成本低廉的特點，利用氮氣作為保護氣和反應氣(簡稱氮弧)，鈦合金作為TIG放電陽極，在TIG電源作用下能夠在鈦及鈦合金表面形成氮化鈦(TiN)硬質(zhì)涂層[6]。為了提高熔覆速率和TiN質(zhì)量分數(shù)，可以通過增加電弧電流或降低焊接速度的方式來增加電弧熱輸入。但是，增加電弧熱輸入導致基體熱輸出量增加，基體熔化面積增加，影響基體性能[7]。

脈沖電弧具有獨立控制熱輸入的特點，在脈沖峰值電流下能夠獲得高電弧熱輸入，提高氮離子密度，在基值電流下穩(wěn)定氮氣電弧放電，電弧整體熱輸入較低。因此，文中采用脈沖氮氣電弧熔覆方法在Ti6Al4V表面制備TiN熔覆層，并對熔覆層組織、相組成及硬度進行了研究，為該方法的工業(yè)化應用提供支持。

1 試驗設備及方法

利用Ti6Al4V合金作為基體材料，氮氣(99.5%)作為保護氣體和反應氣體，氮氣電弧提供所需氮離子，利用TIG焊接設備在Ti6Al4V表面熔覆TiN涂層，試驗原理如圖1所示。氣體流量15 L/min，焊接速度200 mm/min，試樣尺寸100 mm×50 mm×8 mm。焊前，首先對試樣表面進行機械打磨處理，然后進行酸洗而清除試樣表面氧化層。

圖1 TiN熔覆層制備試驗原理圖

利用JEOL6510-A型掃描電子顯微鏡、Olympus GX-51 型光學顯微鏡分析TiN熔覆層的微觀組織。將Ti6Al4V表面制備的TiN熔覆層打磨平整后，利用XRD分析TiN熔覆層的相組成，試驗條件為: Cu靶Kα射線、石墨單色器濾波，工作電壓 40 kV，電流 30 mA，掃描速度 4 deg/min，2θ掃描為 20°～ 90°。采用 HXD-1000 型顯微硬度儀測試TiN熔覆層的顯微硬度，試驗載荷為1.96 N，加載時間為10 s。

2 試驗結果及分析

2.1 TiN熔覆層微觀組織

圖2為氮氣電弧制備TiN熔覆層的微觀組織。從圖中可以看出，當平均電流相同條件下，脈沖模式下氮氣電弧制備TiN熔覆層厚度大于直流模式，熔覆層厚度由1.5 mm左右增加至約2.4 mm左右，增加了60%，熔覆層上表面的最大寬度由6 mm左右增加至7.6 mm左右。并且隨著脈沖電流的增加，TiN熔覆層寬度和深度逐漸增加。

熔覆過程中，電弧高溫致使電弧空間內(nèi)氮氣發(fā)生分解反應而形成氮離子、氮原子(式1～3)，同時，少量氮離子和氮原子在電弧力作用下克服表面張力而進入熔池，在電弧力驅(qū)使下液態(tài)熔池金屬發(fā)生強烈流動，導致氮離子和氮原子與熔池金屬充分地接觸并發(fā)生化學反應而生成TiN(式4～6)。

相對于直流電弧模式而言，雖然脈沖電弧模式時平均功率較低，但是電弧峰值功率顯著增加，進而增強電弧區(qū)域內(nèi)氮離子濃度。此外，電弧力隨著電弧電流增加而增大[8]，在其他工藝參數(shù)恒定下，基體熔化面積增加，基體熔化深度和寬度同時增加，熔池流動性增加，進而提供更多Ti反應元素，因此，脈沖模式下有利于TiN熔覆層形成。

圖2 不同電流模式下TiN熔覆層橫截面宏觀形貌

N2→2[N]

(1)

[N]→[N+]

(2)

[N]→[N-]

(3)

Ti+[N]→TiN

(4)

Ti+[N+]→TiN

(5)

Ti+[N-]→TiN

(6)

式中,N2為氮氣分子;[N]為氮原子；[N+]，[N-]為氮離子。

此外，從圖2中還可以看出，直流和脈沖電流模式下試樣橫截面形貌相同，橫截面由氮化區(qū)(TiN熔覆層)、熱影響區(qū)(HAZ)和基體構成。氮化區(qū)的Ti6Al4V合金發(fā)生熔化，并與氮原子和離子形成TiN熔覆層，它與HAZ區(qū)的分界線為熔合線，TiN與基體之間為冶金結合狀態(tài)，該熔合線呈現(xiàn)出鋸齒狀的不規(guī)則形態(tài)。

TiN熔覆層組織結構影響它的性能，因此有必要研究TiN熔覆層組織結構特點。圖3為在平均電流相同條件下不同電流模式時TiN熔覆層上部的微觀組織結構，可以看出，TiN組織為樹枝晶。直流模式時枝晶細化且數(shù)量較少，脈沖模式時TiN組織呈現(xiàn)出枝晶相連的形貌。試驗中發(fā)現(xiàn)，當增加直流模式焊接電流時，TiN熔覆層樹枝晶同樣表現(xiàn)出所占比例增加并且生長方向性不明顯的變化規(guī)律。因此，為了降低基體熔化深度，可以在低焊接熱輸入條件下利用脈沖電流模式在材料表面制備致密TiN熔覆層組織，進而提高Ti6Al4V的綜合性能。

圖3 不同電流模式下TiN熔覆層微觀組織結構

圖4為不同位置下TiN熔覆層橫截面的樹枝晶形貌，此時脈沖電流200 A。由圖可以看出，樹枝晶分布不均勻，TiN熔覆層上部的樹枝晶致密(圖4b)。在TiN熔覆層與基體交界區(qū)域，即熔化線區(qū)域，TiN樹枝晶的生長方向性較強。熔覆過程中，氮離子和氮原子從液態(tài)熔池上表面進入熔池，并且其在液態(tài)熔池內(nèi)部分布不均勻，氮離子和氮原子含量隨著熔池深度的增加而逐漸降低，因此在熔池與基體之間熔合線區(qū)域氮含量較低，致使在該區(qū)域生成的TiN樹枝晶所占比例較少，而在枝晶間分布α-Ti和β-Ti固溶體組織(圖4c)。

圖5為Ti6Al4V基體和TiN熔覆層X射線衍射圖譜。對衍射峰標定后可以看出，Ti6Al4V基體為典型的α-Ti和β-Ti。氮氣電弧作用于TiN基體表面后，在電弧高溫作用下，Ti6Al4V表面發(fā)生化學反應導致其物相發(fā)生顯著變化，可以看出，Ti6Al4V表面未出現(xiàn)Ti的衍射峰，但是在衍射角42°附近出現(xiàn)TiN(200)衍射峰，說明Ti6Al4V表面獲得了TiN陶瓷熔覆層，并且其熔覆層僅為TiN單相結構，存在明顯的(200)方向擇優(yōu)取向。

圖4 TiN熔覆層橫截面組織形貌

與直流電弧相比，脈沖氮氣電弧制備TiN熔覆層的物相相同，但是(200)衍射峰的衍射強度增加，峰形尖銳，說明TiN晶粒尺寸增加，證實在相同電流下，脈沖氮氣電弧有利于TiN生成。

2.2 TiN熔覆層顯微硬度

硬度能夠反映TiN熔覆層的耐磨性，因此有必要研究TiN熔覆層的顯微硬度變化規(guī)律。圖6為利用氮氣電弧在Ti6Al4V表面制備TiN熔覆層顯微硬度分布曲線?？梢钥闯觯嚇语@微硬度呈現(xiàn)出三階梯狀分布特征，分別對應TiN區(qū)、HAZ和基體，其中TiN區(qū)硬度最高，但分布不均勻。TiN為硬質(zhì)陶瓷相，其能夠顯著地增加Ti6Al4V硬度。隨著熔化深度的增加，氮原子和氮離子的含量逐漸降低，導致TiN含量降低，因此隨著深度的增加，顯微硬度逐漸降低。由于HAZ能夠形成α′-Ti 相，因此HAZ顯微硬度高于Ti6Al4V基體。

圖5 TiN熔覆層 XRD圖

圖6 TiN熔覆層顯微硬度分布曲線

此外，可以看出，當電弧平均熱輸入相等時，脈沖電流模式TiN熔覆層的最高顯微硬度(2 600 HV)大于直流模式(2 300 HV)。脈沖電流模式時，TiN區(qū)最高顯微硬度約為基體Ti6Al4V 合金(350 HV)的7.4 倍。

3 結 論

(1)利用氮氣作為電弧保護氣體，采用脈沖電流模式，在Ti6Al4V鈦合金基體表面制備出TiN熔覆層。與直流模式相比，在平均電流相同條件下，脈沖電弧電流制備的TiN熔覆層厚度顯著地增加，增加了約60%。

(2)TiN組織呈現(xiàn)出樹枝晶形貌，脈沖電流模式時TiN樹枝晶致密且相互連接。原因是脈沖電流提高了氮離子濃度，有利于TiN熔覆層形成。TiN熔覆層呈現(xiàn)出(200)擇優(yōu)取向，脈沖模式下TiN衍射強度增加。脈沖電流模式下TiN熔覆層顯微硬度高于直流模式，TiN顯微硬度最高達到2 600 HV。

(3)相對于直流電流而言，脈沖氮氣電弧制備TiN熔覆層時具有在低熱輸入下獲得致密TiN組織和高顯微硬度的特點。

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2017-03-06

黑龍江省自然科學基金項目(E201458)；哈爾濱市應用技術研究與開發(fā)項目(青年后備人才)(2014RFQXJ015)；黑龍江工程學院博士科研基金項目(2015BJ11, 2016BJ12)。

TG174.4

王佳杰，1975年出生，工學博士,副教授。主要從事焊接結構、工藝及熱噴涂相關研究工作，已發(fā)表論文10余篇。