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钛及钛合金的性质及表面处理技术探讨

发布于:2018-12-15 09:50 编辑:志峰钛业 浏览:

  摘 要:文章介绍了钛合金的基本性质及组织结构,并且综述了强化钛及钛合金表面的各种处理技术,如渗氮、渗碳、渗硼、渗氧、激光表面处理等。表明了各种表面处理技术都可以强化钛及钛合金的表面硬度及耐磨性,希望为相关工作提供参考。

  关键词:钛及钛合金;表面处理;强化

  前言

  钛自1791年被发现后,因其合金具有良好的耐蚀性能、比强度高等特点,广泛应用于军事工业、航空航天、建筑、石油化工、汽车、医学等领域中,但钛及钛合金存在着硬度低、耐磨性能差的缺点,限制了其进一步的应用发展。为了提高钛及钛合金的表面硬度和耐磨性,许多研究者对其表面处理技术进行了广泛的研究。文章介绍了各种对钛及钛合金的表面强化技术。

  1 钛的性质

  1.1 钛及钛合金的物理性质

  钛的原子序数是22,原子量为47.90,密度为4.5g/cm3,熔点为1725℃,导热系数λ=15.24W/(m.K),抗拉强度σb=539MPa,伸长率δ=25%,断面收缩率ψ=25%,弹性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195。金属钛具有两种同素异晶体,在低于882.5℃时呈密排六方结构,称为α-钛,而在882.5℃以上时为高温稳定态为体心立方结构,通常称为β-钛[1]。钛合金具有强度、热强度高,低温性能好,耐蚀性好,化学活性大、导热弹性小等性能特点而被广泛用于各个领域,是20世纪50年代发展起来的重要的结构金属[2]。

  1.2 钛的化学性质

  钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时则在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用会形成TiN硬质表层;在600℃以上时,钛吸收氧并形成硬度很高的硬化层;氢含量上升时,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1~0.15mm,硬化程度为20%~30%。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。钛对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀,如不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀;但对强还原性和无水强氧化性等介质不耐腐蚀,如氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等[2-3]。

  2 钛及钛合金的组织分类

  室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类:α合金,(α+β)合金和β合金。三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金;α钛合金的切削加工性最好,α+β钛合金次之,β钛合金最差。α钛合金代号为TA,β钛合金代号为TB,α+β钛合金代号为TC。后人在此基础上对其分类进行了完善,因此钛及钛合金分为五类:退火后基本组织是α相的称为α 型合金,退火后的基本组织是α相+β相,但以α相为主的称为近α型合金,退火后的基本组织是α相+β相称为(α+β)型合金,退火后的基本组织为β相,但有一定α相的称为近β型合金,退火后的基本组织全为β相,称为β型合金[4]。近α型及α+β型钛合金的组织,包括魏氏组织、网篮组织、混合组织及等轴组织,α型及β型钛合金的组织一般为单一的α晶粒、β晶粒,见图1[4]。

  3 钛及钛合金的表面强化

  钛及钛合金虽具有高的比强度、无磁性、良好的耐蚀性和良好的生物相容性等特点,但其耐磨性和导热性差,高温下容易氧化,因此为了提高钛及钛合金表面的硬度和耐磨性,需对其金属表面进行表面改性处理[5]。

  3.1 渗氮

  氮化钛硬度高、化学性能稳定、耐磨损、耐腐蚀性能优异。在钛合金表面形成一层氮化钛硬化层是强化钛及钛合金表面、提高耐蚀性的有效方法。钛及钛合金的渗氮工艺主要包括气体渗氮和等离子体渗氮。

  3.1.1 气体渗氮

  气体渗氮是通过将试样置于氮气或氮气-氢气气氛中进行加热处理,而在钛及钛合金表面形成TiN及Ti2N等硬质相,以提高其表面耐磨性。气体渗氮工艺简单易行,但却存在氮化速度慢、渗层脆、渗层薄等缺点[6]。

  3.1.2 等离子体渗氮

  等离子体渗氮是利用辉光放电来实现工艺的,在等离子体渗氮过程中,等离子状态的氮离子被电场加速后撞击工件,离子动能会转变为热能,使工件温度升高,同时还存在离子冲击时的溅蚀作用及扩散作用,可使氮向工件表面内部进行扩散,以达到氮化的目的[6]。

  3.2 渗碳

  3.2.1 火化放电渗碳