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        TC4鈦合金熱氧化真空處理后表面性能的變化

        2021-08-26 06:15:14劉寧寧景建元趙海云王艷玲
        金屬加工(熱加工) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:熱氧化耐磨性摩擦系數(shù)

        劉寧寧,景建元,趙海云,王艷玲

        北京金宇順達(dá)科技股份有限公司 北京 100070

        1 序言

        Ti6Al4V合金是一種標(biāo)準(zhǔn)的α+β兩相型鈦合金,在我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中將其命名為TC4。TC4綜合性能非常優(yōu)異,超高的比強(qiáng)度使其廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,良好的耐蝕性使其廣泛應(yīng)用于船舶、化工領(lǐng)域,優(yōu)異的生物性能使其廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域[1]。但是包括TC4在內(nèi)的鈦及鈦合金硬度絕對值較低,耐磨損性能差,很多情況下還會與其他材料發(fā)生黏著磨損。TC4的這些性能劣勢阻礙了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用,例如軍刀領(lǐng)域[2]。另外,由于TC4本身晶體結(jié)構(gòu)的限制,它的硬度、耐磨性等性能指標(biāo)通過時(shí)效強(qiáng)化等熱處理手段提升的效果微乎其微,因此對于TC4而言,表面強(qiáng)化是提升其硬度、耐磨性等性能為數(shù)不多的方法之一。表面熱氧化是一種有效且易于實(shí)現(xiàn)的方法,鈦合金熱氧化后,表面硬度會有顯著提高[3]。不過,僅對鈦合金表面做熱氧化,盡管硬度提高,但耐磨性還是不夠。氧化層若偏薄,則耐磨性不夠;氧化層若偏厚,則容易剝落。因此,本文研究采用TC4鈦合金熱氧化后真空環(huán)境擴(kuò)散的方式,探究氧化層的形貌以及相關(guān)硬度、磨損性質(zhì)的變化[4,5]。

        2 試驗(yàn)

        試驗(yàn)用鈦合金材料為退火態(tài)Ti6A l4V板材,主要化學(xué)成分為:wAl=6.24%、wV=4.04%、wFe=0.07%、wO=0.13%。將TC4板材經(jīng)線切割得到5mm×10mm×10mm規(guī)格的試樣。試樣先使用240#、400#、800#和1200#不同砂紙依次打磨,然后拋光至鏡面,拋光后的試樣在無水乙醇中超聲波清洗30min并吹干。

        試驗(yàn)分以下兩步:

        1)熱氧化。TC4試樣在箱式電阻爐中進(jìn)行熱氧化,大氣氛圍。熱氧化條件:溫度850℃,氧化時(shí)間20min。試樣在爐溫達(dá)到指定溫度時(shí)放入爐中,保溫后空冷至室溫。

        2)真空擴(kuò)散。隨機(jī)選取熱氧化后的試樣,放置于真空管式爐中進(jìn)行真空擴(kuò)散。真空擴(kuò)散條件:真空狀態(tài),溫度850℃,擴(kuò)散時(shí)間25h。

        試樣表面橫截面組織形貌利用Axio Imager M2m顯微鏡觀察,觀察之前,金相試樣用2%氫氟酸酒精腐蝕劑浸蝕。使用MVC-1000JMT1顯微硬度計(jì)檢測試樣截面顯微硬度,所用的載荷為50g(0.49N),保壓時(shí)間為15s。摩擦磨損試驗(yàn)在CFT-I型材料表面性能綜合測試儀上進(jìn)行,摩擦副選用直徑3mm的GCr15鋼球,摩擦方式為往復(fù)式干摩擦,試驗(yàn)時(shí)間30min。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 組織形貌

        TC4鈦合金原始試樣經(jīng)氫氟酸腐蝕后,表面呈現(xiàn)出均勻黃色,如圖1所示。

        圖1 TC4鈦合金原始試樣金相組織

        經(jīng)過850℃熱氧化后的TC4鈦合金試樣外表面有黃褐色的氧化膜。由氫氟酸腐蝕的截面組織可以看到(見圖2),外表氧化膜呈現(xiàn)出明顯的亮白色,外表氧化膜下面有白亮色擴(kuò)散層,經(jīng)測量,擴(kuò)散層厚度為17μm。TC4鈦合金基體呈黃色,擴(kuò)散層與TC4鈦合金基體有明顯的界線。擴(kuò)散層同樣是氧化層,氧化層較為粗大與疏松,晶界相比基體較模糊。

        圖2 熱氧化后的TC4鈦合金金相組織

        熱氧化的TC4鈦合金試樣真空擴(kuò)散后,組織形貌發(fā)生了變化。氧化層與基體明顯的分界線消失,氧化層被基體完全吸收,氧化物已經(jīng)完全擴(kuò)散至基體中,如圖3所示。另外,截面組織顏色有所不同,表面附近組織呈白色,稍微有些淡黃色。由表面向內(nèi)部深入后,黃色加重。到達(dá)一定深度后,完全呈黃色。表面附近組織晶界模糊,晶體連成一片。由表面向內(nèi)部深入后,晶界逐漸清晰。到達(dá)一定深度后,能看到完整清晰的晶界,有完整的晶體。

        圖3 熱氧化真空擴(kuò)散的TC4鈦合金金相組織

        TC4鈦合金在850℃熱氧化后,表面形成一層不太厚的氧化層,氧化層與基體明顯分界,為不同物質(zhì),氧化層成分為金紅石型的TiO2。此后在真空中高溫?cái)U(kuò)散后,表面的氧化層發(fā)生分解,有部分氧以氧氣形式進(jìn)入真空環(huán)境中,部分氧向基體內(nèi)部擴(kuò)散,自表面向內(nèi)部形成氧擴(kuò)散區(qū),自表面向內(nèi)部氧梯度不斷降低。

        3.2 硬度分析

        TC4鈦合金各狀態(tài)下硬度變化趨勢如圖4所示。未經(jīng)任何處理的原始試樣硬度沒有變化,因?yàn)榛w成分相同,組織均勻,硬度值為326HV。經(jīng)過850℃熱氧化后的TC4鈦合金試樣表面硬度達(dá)到822HV;到擴(kuò)散層的硬度稍微有下降,達(dá)到765HV,硬度值比較平穩(wěn);超過與基體的分界線后,硬度急速下降,硬度值為322HV,基本與基體相同,然后趨于穩(wěn)定。在真空擴(kuò)散后,熱氧化的TC4鈦合金試樣表面硬度達(dá)到742HV,比真空擴(kuò)散前稍有降低;隨著向內(nèi)部深入,硬度值有快速下降過程,到50μm處穩(wěn)定在500HV;之后硬度值緩慢下降,到200μm處硬度值仍有400HV;深度到260μm處時(shí),硬度值與基體相同。

        圖4 TC4鈦合金各狀態(tài)下硬度變化

        TC4鈦合金在850℃熱氧化后,表面的氧化層硬度高,但是厚度有限,接近基體后出現(xiàn)“斷層級”硬度值降低,隨后硬度馬上與基體相同。熱氧化的樣品再通過真空擴(kuò)散處理后,表面層氧含量降低,硬度有所下降。不過氧向內(nèi)部擴(kuò)散后,其內(nèi)部硬度有顯著提高,硬度提高的范圍非常大。

        3.3 耐磨性分析

        經(jīng)過熱氧化的TC4鈦合金與GCr15鋼的摩擦系數(shù)明顯降低。與未處理狀態(tài)的TC4相比,摩擦系數(shù)由0.62降至0.48,降低了22.58%。熱氧化的TC4鈦合金經(jīng)過真空擴(kuò)散之后,其摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低。與未處理的狀態(tài)相比,摩擦系數(shù)由0.62降至0.43,降低了30.65%,并且在摩擦試驗(yàn)中,摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定,見表1。

        表1 鈦合金不同狀態(tài)的摩擦系數(shù)

        TC4鈦合金在850℃熱氧化后,其表面生成氧化層,氧化層降低了表面的摩擦系數(shù),但是氧化層厚度較薄,限制了進(jìn)一步提高。真空擴(kuò)散之后,氧化層整體厚度有了增加,因此表面的摩擦系數(shù)進(jìn)一步下降。

        4 結(jié)束語

        1)TC4鈦合金850℃熱氧化后,表面會生成明顯的氧化層,氧化層比較薄,并且與基體有明顯分界線。經(jīng)過真空擴(kuò)散之后,氧化層發(fā)生擴(kuò)散,與基體連為一整體。

        2)TC4鈦合金850℃熱氧化后,表面硬度提高到822HV,但在17μm氧化層以下的硬度恢復(fù)至基體硬度值。雖然表面耐磨性顯著提高,但因氧化層厚度的限制而不穩(wěn)定。而經(jīng)過真空擴(kuò)散后,盡管表面硬度有小幅下降,但在氧擴(kuò)散區(qū)的很大范圍內(nèi)具有比基體高的硬度值,在209μm處硬度值仍能維持400HV,不但其耐磨性有進(jìn)一步提升,而且表現(xiàn)穩(wěn)定。經(jīng)過真空擴(kuò)散,TC4鈦合金的綜合性能有大幅提升。

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