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      鈦合金表面改性技術(shù)及涂層制備研究

      2017-09-01 06:41:55馮秋元張永強(qiáng)史文張平輝王儉王鼎春高頎
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年23期
      關(guān)鍵詞:表面粗糙度鈦合金涂層

      馮秋元+張永強(qiáng)+史文+張平輝+王儉+王鼎春+高頎

      摘 要:對(duì)比分析了微弧氧化、滲氮、等離子噴涂表面改性技術(shù)的特點(diǎn),并利用這三種技術(shù)在TC4 ELI鈦合金基體上制備了相應(yīng)的涂(滲)層,借助金相顯微鏡(OM)、表面粗糙度儀、顯微硬度計(jì)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)涂層的厚度、表面粗糙度、硬度和微觀形貌進(jìn)行測(cè)試、分析。結(jié)果表明,三種涂(滲)層中微弧氧化膜的厚度較薄,等離子噴涂涂層最厚;施加涂(滲)層后,基體硬度顯著提高,其中等離子噴涂涂層的硬度最大,是基體硬度的3倍;微弧氧化膜和滲氮層的硬度相當(dāng),約為基體的1.7~1.8倍;與基體相比,涂(滲)層的表面粗糙度變大,且按滲氮層、微弧氧化膜和等離子噴涂層的順序增大;表面施加涂(滲)層是提高鈦合金耐磨性的一條有效途徑。

      關(guān)鍵詞:鈦合金;表面改性技術(shù);涂層;表面粗糙度;硬度

      中圖分類號(hào):U671.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-2945(2017)23-0008-04

      鈦及鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性、比強(qiáng)度高、密度小、無(wú)磁性,在航空、航天、化工、兵器、艦船、海洋工程、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,被譽(yù)為21世紀(jì)的金屬材料,有著“太空金屬”、“海洋金屬”和“第三金屬”的美譽(yù)。然而鈦及鈦合金硬度低、易粘著、耐磨性差,成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸[1]。對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行表面改性,是提高其硬度和耐磨性的有效途徑[2]。常用的表面改性技術(shù)有:電鍍[3]、滲氮(滲碳)[4]、滲金屬[5,6]、微弧氧化[7]、等離子噴涂[8]、氣相沉積[9]、離子注入[10]、激光熔敷[11,12]、搪瓷涂層[13,14]等,其中最常見(jiàn)的是微弧氧化、離子滲氮和等離子噴涂,已在航空航天、艦船、海洋工程等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

      目前,分別采用微弧氧化、滲氮和等離子噴涂技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性處理的報(bào)道有很多,但尚未見(jiàn)對(duì)這3種表面處理技術(shù)的對(duì)比分析。本研究首先對(duì)比分析了這3種表面處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn),然后采用這3種表面技術(shù)對(duì)TC4 ELI鈦合金進(jìn)行表面處理,并對(duì)涂(滲)層進(jìn)行表征,對(duì)比研究3種處理方法獲得的涂(滲)層的微觀形貌、表面粗糙度、硬度等,為鈦合金的表面改性處理提供實(shí)驗(yàn)和參考依據(jù)。

      表1所示為三種表面處理技術(shù)的對(duì)比分析。由表中的對(duì)比可以看出,3種表面處理技術(shù)具有各有的特點(diǎn),應(yīng)根據(jù)零部件(工件)的具體情況進(jìn)行合理選擇。

      1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

      1.1 實(shí)驗(yàn)材料

      實(shí)驗(yàn)材料選用寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的TC4 ELI鈦合金軋制板材,板材厚度為10mm。采用線切割將板材切割成若干20mm×20mm×10mm和Φ30mm×10mm大小的試樣,試樣經(jīng)表面處理和清洗后備用。

      1.2 涂(滲)層制備

      利用MAO-III-50型微弧氧化電源制備微弧氧化膜層,電解液配方為:硅酸鈉20g/l,氫氧化鈉4g/l,無(wú)機(jī)添加劑(A)10g/l。

      利用DLZ-10/10/20型多功能離子滲氮爐進(jìn)行滲氮,工藝參數(shù)為:滲氮溫度800℃,滲氮時(shí)間3h,滲氮?dú)怏w為氨氣(NH3),壓力350Pa,電壓900V,占空比50%。滲氮后樣品隨爐冷卻至室溫,并采用氬氣(Ar)保護(hù),壓力200Pa。

      利用美國(guó)Sulzer-Metco大氣等離子噴涂系統(tǒng)及F42MB型噴槍制備WC-17%Co涂層,工藝參數(shù)為:電壓78V,電流650A,氬氣速率36.7L/min,粉末速率30g/min,氮?dú)馑俾?3.3L/min,噴涂距離120mm。

      1.3 測(cè)試方法

      利用Axiovert 200MAT金相顯微鏡觀察涂層截面形貌并對(duì)涂層厚度進(jìn)行測(cè)量;利用JEOL JSM-6480型(日本)掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)涂(滲)層表面形貌進(jìn)行觀察,利用SEM附帶的EDAX能譜儀對(duì)涂層成分進(jìn)行分析;采用Wilson-Wolpert Tukon 2100B型(美國(guó))顯微維氏硬度計(jì)測(cè)定涂層的顯微硬度,載荷200g,加載時(shí)間10s,每個(gè)試樣測(cè)試五組數(shù)據(jù),取平均值;采用TIME 3100型表面粗糙度儀測(cè)量涂(滲)層的表面粗糙度,每個(gè)試樣不同位置測(cè)試3次,取平均值。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 涂(滲)層表面形貌及成分

      圖1所示為采用微弧氧化、滲氮和等離子噴涂3種表面處理技術(shù)制備的樣品的實(shí)物照片。由圖1可以看出,采用微弧氧化、滲氮和等離子噴涂技術(shù)制備的涂(滲)層顏色分別為深灰色、金黃色和灰白色。涂(滲)層均勻致密、表面平整,與基體結(jié)合良好。

      圖2所示為3種不同表面技術(shù)改性處理后涂(滲)層的表面形貌掃描電鏡照片及其能譜圖。由圖2(a)的微觀形貌可見(jiàn),采用微弧氧化技術(shù)處理的表面層較平整,涂層中分布著許多尺寸大小不一的微孔(孔徑大小約2~5μm),無(wú)規(guī)律地分布在膜層中間位置或凸起狀陶瓷顆粒的邊緣,孔洞互不連通,形成微孔鑲嵌的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu);個(gè)別地方出現(xiàn)一些球狀突起。微孔是由于涂層制備過(guò)程中高電壓擊穿陶瓷膜形成的放電通道,而粗大呈球狀的突起是由于強(qiáng)烈爆發(fā)的電弧使陶瓷涂層產(chǎn)生飛濺形成的陶瓷顆粒。由圖2(a')的能譜圖可知,涂層的化學(xué)組成取決于基體材料及電解液成分,Ti和O元素為涂層的主要成分,Si、P是電解液所含元素,而Al、V為鈦合金基體元素。由圖2(b)可見(jiàn),采用滲氮技術(shù)制備的滲層表面比較平整。由于是向基體內(nèi)滲氮,因此樣品表面仍可見(jiàn)機(jī)械加工的痕跡。由圖2(b')的能譜圖可知,滲氮層成分主要由Ti和N元素組成(Al、V元素是鈦合金基體的成分)。結(jié)合圖2滲氮層顏色呈金黃色可知,滲入基體的N元素與基體中的Ti元素結(jié)合生成了TiN(與TiN的物理性質(zhì)一致[16])。

      由圖2(c)可見(jiàn),采用等離子噴涂技術(shù)制備的WC-17%Co涂層表面比較粗糙,噴涂粒子團(tuán)聚在一起呈球狀形貌,粒子間存在空隙,但孔隙率較微弧氧化的要低。這是因?yàn)閲娡苛W釉谙嗷ゴ罱拥倪^(guò)程中形成氣孔,氣孔被后續(xù)噴涂的熔融粒子覆蓋和嵌入,因此涂層中孔隙率降低。此外,涂層表面還存在部分熔化區(qū)。由圖2(c')的能譜圖可知,涂層主要由W、C、Co和O元素組成,W、C和Co是涂層的主要成分,O元素則是涂層在制備過(guò)程中由于WC顆粒發(fā)生輕微氧化脫碳形成的。

      2.2 涂(滲)層截面形貌

      圖3所示為采用3種表面技術(shù)處理后樣品的截面金相顯微照片,厚度測(cè)量結(jié)果為:微弧氧化層約13μm,滲氮層約20μm,等離子噴涂層約80μm。

      由圖3(a)可見(jiàn),涂層與基體間呈微區(qū)冶金結(jié)合,微弧氧化層由內(nèi)外兩層組成,內(nèi)層較致密,而外層晶粒略粗大,組織疏松,對(duì)應(yīng)于其表面的多孔形態(tài)(見(jiàn)圖2(a))。由于微弧氧化膜層是在TC4 ELI鈦合金基體上原位生長(zhǎng)形成的,因此涂層與基體之間結(jié)合牢固。

      由圖3(b)可知,滲氮處理后,在基體中形成了一定深度的滲氮層,其顯微組織與基體明顯不同,說(shuō)明滲入的氮原子向鈦合金內(nèi)部擴(kuò)散,并與基體發(fā)生反應(yīng)生成氮化物(TiN),隨著氮原子繼續(xù)向合金基體內(nèi)擴(kuò)散,在基體中形成了一定厚度的滲氮層。

      由圖3(c)可見(jiàn),等離子噴涂制備的WC-17%Co涂層結(jié)構(gòu)致密,涂層無(wú)明顯的層狀結(jié)構(gòu),說(shuō)明在噴涂過(guò)程中,噴涂粒子在到達(dá)基體時(shí)具有較高的動(dòng)能和熱焓值,對(duì)基體的撞擊作用強(qiáng),涂層之間結(jié)合緊密。由于WC是一種硬質(zhì)粒子(硬度約HV2100),因此涂層的硬度較高。由能譜分析可知,涂層中的灰白色區(qū)域?yàn)榻饘貱o,深灰色物質(zhì)為WC顆粒,而黑色區(qū)域則為噴涂時(shí)形成的氣孔。

      2.3 涂(滲)層表面粗糙度和硬度

      表2所示為測(cè)得的涂(滲)層的表面粗糙度和硬度數(shù)據(jù)。由表2中表面粗糙度數(shù)據(jù)可知,與基體相比,采用不同表面技術(shù)處理后合金的表面粗糙度均呈增大趨勢(shì),其中采用等離子噴涂技術(shù)制備的WC-17%Co涂層的粗糙度最大,為12.5μm;滲氮層的粗糙度最小,為3.2μm。3種涂(滲)層的表面粗糙度均大于基體,表明TC4 ELI鈦合金基體施加涂(滲)層后,增大了其表面粗糙度。

      由表2中硬度數(shù)據(jù)可知,與未經(jīng)改性處理的TC4 ELI基體相比,采用3種表面技術(shù)改性處理后,合金的顯微硬度均得到顯著的提高,其中等離子噴涂層的硬度最高,約為基體的3倍,而微弧氧化層和滲氮層的硬度相當(dāng),約為基體的1.7~1.8倍。通常,金屬材料的耐磨性與其硬度有關(guān),硬度高的材料表現(xiàn)出較好的耐磨性。因此,通過(guò)在鈦合金表面施加適宜的涂層,可顯著提高其耐磨性。表面改性技術(shù)為鈦合金耐磨性能的提高提供了一條有效的途徑。

      3 結(jié)論

      (1)采用微弧氧化、滲氮和等離子噴涂技術(shù),在TC4 ELI鈦合金表面制備了厚度分別為13μm、20μm和80μm的表面改性層,涂(滲)層與基體結(jié)合良好。

      (2)與未經(jīng)表面改性處理的基體相比,滲氮層、微弧氧化層和等離子噴涂WC-17%Co涂層的表面粗糙度呈逐漸增大趨勢(shì),等離子噴涂層的粗糙度最大,約12.5μm。

      (3)施加涂(滲)層后TC4 ELI鈦合金基體的硬度得到顯著提高,其中等離子噴涂層的硬度最高,是基體的3倍;微弧氧化膜和滲氮層的硬度相當(dāng),約為基體的1.7~1.8倍。表面施加涂(滲)層是提高鈦合金耐磨性能的一條有效途徑。

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