1、引言
鈦屬于輕金屬,具有良好的延展性、易導(dǎo)電、導(dǎo)熱。同時(shí),鈦也具有良好的耐腐蝕性和耐低溫性[1]。純鈦當(dāng)中TA2牌號(hào)在工業(yè)當(dāng)中使用最為廣泛,主要應(yīng)用于制造各種非承力結(jié)構(gòu)件,同時(shí)工業(yè)純鈦還可用于生物植入材料[2]。
鈦合金是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬,其具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度低、低溫性能好,在低溫和超低溫下,仍能保持其力學(xué)性能、生物相容性好等多種良好特殊性能,自從問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)成為一種重要的結(jié)構(gòu)材料,其在航空航天、海洋、汽車、裝甲和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中得到越來(lái)越多的應(yīng)用[3-9]。
鈦合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用一般是在引擎系統(tǒng),由鈦合金制成的零部件具有一定的優(yōu)異性,其質(zhì)量輕,對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃油性有一定的提升,發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也會(huì)有很大的改善[10]。表1為適用于汽車的鈦合金品種,表2為鈦合金零部件在引擎系統(tǒng)中的應(yīng)用。
鈦及鈦合金由于其性能優(yōu)異,常廣泛應(yīng)用于高精尖技術(shù)領(lǐng)域。但在某些工作環(huán)境下,其也存在一定的缺點(diǎn)和問(wèn)題,如硬耐磨性差、抗氧化能力差等;鈦及鈦合金發(fā)展應(yīng)用也由于這些缺點(diǎn)而受到一定的限制[12－13]。目前,解決鈦及鈦合金應(yīng)用受限的常用方法是表面改性技術(shù)。
2、傳統(tǒng)的表面改性方法
隨著鈦和鈦合金的使用日益增長(zhǎng),為了提高鈦和鈦合金的表面性能來(lái)滿足不同使用環(huán)境下需求,在過(guò)去的幾十年里,各種傳統(tǒng)表面改性技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用。本文主要針對(duì)傳統(tǒng)表面改性方法中的噴丸處理、熱噴涂以及中電化學(xué)處理進(jìn)行介紹。
2.1噴丸處理
噴丸處理是將大量0.25-1毫米大小的硬質(zhì)鋼球以一定速度撞擊材料表面,在表面產(chǎn)生塑性變形,可以得到了晶粒細(xì)化的表面改性層[14－16]。噴丸處理包含一般噴丸和應(yīng)力噴丸,設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低廉,操作比較方便。噴丸強(qiáng)化的鈦和鈦合金的硬度和耐磨性也得到了提高,是一種常用的鈦合金表面改性技術(shù)之一。將普通噴丸技術(shù)與其他表面處理技術(shù)復(fù)合應(yīng)用,可以進(jìn)一步提高鈦合金的耐疲勞性。Tsuji等[17]通過(guò)等離子體滲碳與噴丸強(qiáng)化相結(jié)合技術(shù)研究其對(duì)TC4合金疲勞磨損性能的影響,發(fā)現(xiàn)其可以有效改善滲碳處理TC4合金的表面殘余應(yīng)力狀態(tài),使合金的疲勞壽命提高,如圖1所示。
2.2熱噴涂
熱噴涂首先噴料熔化,而后再將噴料霧化成顆粒,并以高速噴射到基體表面形成涂層。熱噴涂法經(jīng)濟(jì)、方便,是目前應(yīng)用最廣泛的表面微合金化方法之一。它能在熱作用下將原料熔化以覆蓋Ti基板,通過(guò)使用預(yù)先確定的參數(shù)集對(duì)軟化或熔化的原料進(jìn)行連續(xù)沉積,一層一層地制備涂層,可以在基體上制備各種表面合金涂層。熱噴涂可以獲得不同性能基體表面,常見(jiàn)有耐磨、耐腐蝕、抗氧化等。在高溫氧化環(huán)境下,合金涂層被氧化成致密的保護(hù)性氧化垢,能夠抑制氧和金屬離子的相互擴(kuò)散,從而提高鈦合金和鈦鋁合金的高溫抗氧化性[18]。
2.3電化學(xué)處理
電化學(xué)處理是基于發(fā)生在Ti和Ti合金表面的化學(xué)反應(yīng)而發(fā)展起來(lái)的。此方法中電源必不可少,電化學(xué)反應(yīng)受一些工藝參數(shù)的控制,如:電解液和電位、電流、溫度等。一般來(lái)說(shuō),電化學(xué)處理包括電解拋光、陽(yáng)極氧化、電沉積和電鍍。主要簡(jiǎn)單介紹陽(yáng)極氧化陽(yáng)極氧化是金屬和合金的電化學(xué)氧化,可在金屬材料上制備不同氧化膜的普遍方法[19]。對(duì)于鈦和鈦合金,常用的陽(yáng)極氧化的電解溶液有硫酸、磷酸、醋酸、鉻酸等。鈦合金表面陽(yáng)極氧化膜的主要是增強(qiáng)其附著力和耐磨性,同時(shí)使鈦合金更好服務(wù)于航空航天和電子工業(yè)。
3、先進(jìn)的表面改性方法
由于新工藝技術(shù)的發(fā)展,近幾年來(lái)出現(xiàn)了大量先進(jìn)的表面改性技術(shù),如攪拌摩擦處理、激光表面改性和離子注入等。這些先進(jìn)的表面改性方法可以進(jìn)一步提高鈦合金的表面性能及拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。
3.1離子注入
離子注入是在真空中將高能帶電離子束射向金屬近表層,使其形成新的表面改性層[20]。根據(jù)離子來(lái)源的不同,鈦和鈦合金表面可形成氧離子注入層、氮離子注入層、碳離子注入層等不同的層。氧離子注入技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬材料中,以改善金屬的力學(xué)和生物性能。許多學(xué)者都研究證實(shí)鈦和鈦合金在耐磨性、耐腐蝕性方面的性能在氧離子注入后得到了改善。Mohan等[21]發(fā)現(xiàn)Ti-13Nb-13Zr在氧離子注入后,其耐磨性和耐腐蝕性同時(shí)增強(qiáng)。如圖2所示,與未處理的Ti-13Nb-13Zr相比,氧離子注入的Ti-13Nb-13Zr有明顯的淺劃痕。同理,氮離子、碳離子注入也可以提高鈦和鈦合金的表面性能。碳離子注入可以使Ti-6Al-4V的硬度增加兩倍以上,這是因?yàn)樾纬闪薚iC沉淀或TiC層[22]。
3.2激光表面改性
激光束具有高相干性和方向性,常用于許多金屬的表面改性。激光表面重熔和激光熔覆是常用激光表面改性的兩種方法[23]。激光表面重熔將工件表面用高能密度激光束熔化后立即固化。激光重熔Ti襯底的表面上形成覆蓋有薄TiO2層的精細(xì)馬氏體結(jié)構(gòu),這兩者都具有比底層基底更高的硬度和更好的耐磨性。因此,激光表面重熔是提高鈦和鈦合金耐磨性和耐蝕性的一種簡(jiǎn)單方法。
激光熔覆利用高能密度的激光束讓基體表面和熔覆材料(預(yù)先添加在基體表面或是與激光束同步輸送)熔凝,從而與基體形成冶金結(jié)合,激光熔覆工藝示意圖如圖3所示。研究結(jié)果表明用NiCoCrAlY來(lái)提高Ti-6Al-4V的硬度和耐磨性,激光熔覆產(chǎn)生的涂層硬度是Ti-6Al-4V基底的兩倍。同時(shí)激光熔覆改變鈦合金表面性能也存在一些問(wèn)題,由于熔覆材料和基體表面重熔和凝固過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,會(huì)使產(chǎn)生的涂層會(huì)出現(xiàn)裂紋。因此,始終需要優(yōu)化加工參數(shù)。
3.3物理氣相沉積
物理氣相沉積包括真空蒸鍍、離子鍍等,是一種氣化沉積成膜的方法。真空蒸鍍,在真空條件下,在基體表面使鍍膜材料凝聚成膜的方法。在混合N2和O2氣流中蒸發(fā)Ti合成TiN和TiO2復(fù)合涂層。此復(fù)合涂層與其他表面改性方法制備的涂層相比,基體具有更高的硬度和耐磨性。離子鍍是一種使用高能粒子轟擊襯底表面并沉積薄膜的工藝。在Ti-6Al-4V上沉積TiSiN膜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在10V的負(fù)偏壓下制備的TiSiN薄膜在海水中具有最佳的耐磨性。
４、總結(jié)
鈦合金有許多表面改性技術(shù),選擇適合其具體應(yīng)用的表面技術(shù)尤其重要。采用適合的表面改性技術(shù)可以保持以及提高基體材料在不同應(yīng)用環(huán)境下的良好表面性能。這些表面改性技術(shù)在一定條件下還是會(huì)存在某些問(wèn)題,當(dāng)前除了表面涂層制備方法外,涂層材料也是至關(guān)重要的一個(gè)因素,目前很多學(xué)者都在努力研制新型涂層材料,以此來(lái)進(jìn)一步改善鈦和鈦合金的表面性能,使其適用多種不同環(huán)境改性層的性能。因此,可以展望未來(lái)將會(huì)有更多種新型表面改性方法,以實(shí)現(xiàn)Ti和Ti合金的更好性能和更廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
[1]張寶昌．有色金屬及其熱處理[M]．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1993．
[2]陳宇海．鈦及鈦合金脈沖等離子體爆炸表面改性研究[D]．南昌航空大學(xué),2019．
[3]張新,劉鴻羽,車昶,謝華生,趙軍,劉時(shí)兵,劉宏宇,張愛(ài)博．鈦 合 金 低 成 本 成 形 技 術(shù) 研 究 進(jìn) 展 [J]．鑄 造,2021,70(10):1141-1148．
[4]Zhu YY,Liu D,Tian XJ,Tang HB,Wang HM．Characterizationofmicrostructureandmechanicalprop-ertiesoflaser meltingdeposited Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0．3Sititaniumalloy．MaterDes2014;56:445-53．
[5]WangQ,ZhangPZ,WeiDB,ChenXH,WangRN,WangHY,etal．Microstructureandslidingwearbe-haviorofpuretitanium surface modified by double-glow plasma surface alloying with Nb． Mater Des2013;52:265-73．
[6]GaneshBKC,Sha W,RamanaiahN,KrishnaiahA．Effectofshotpeeningonsliding wearandtensilebe-havioroftitaniumimplantalloys．MaterDes2014;56:480-6．
[7]王欣,羅學(xué)昆,宇波,湯智慧．航空航天用鈦合金表面工程技術(shù)研 究 進(jìn) 展 [J]．航 空 制 造 技 術(shù),2022,65(04):14-24．
[8]李芳婷,王愷婷,李春波,巨朝飛．鈦及鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù) 的 研 究 進(jìn) 展 [J]．世 界 有 色 金 屬,2021(16):109-110．
[9]郭小汝,陳百明,賈金龍,胡偉,張振宇．處理方法對(duì)鈦合金摩擦磨 損 性 能 影 響 的 研 究 進(jìn) 展[J]．粉 末 冶 金 工業(yè),2021,31(02):97-103．
[10]楊 甄 鑫,廖 抒 華．輕 質(zhì) 合 金 在 汽 車 輕 量 化 中 的 應(yīng) 用[J]．汽車零部件,2021(01):107-113．
[11]李中．鈦及鈦合金在汽車上的應(yīng)用[C]//．第十四屆全國(guó)鈦 及 鈦 合 金 學(xué) 術(shù) 交 流 會(huì) 論 文 集 (下 冊(cè))．2010:483-487．
[12]BudinskiK G．Tribologicalpropertiesoftitaniumal-loys[J]．Wear,1991,151(2):203-217．
[13]劉鳳 嶺,李 金 桂,馮 自 修．鈦 合 金 表 面 技 術(shù) 的 進(jìn) 展[J]．腐蝕與防護(hù),2001,22(2):54-57．
[14]M．Thomas,T．CLindley,D．Rugg,M．Jackson,Theeffectofshotpeeningonthemicrostructureandpropertiesofa near-alphatitanium alloyfollowing hightemperatureexposure,ActaMaterialia2012,60(13-14),5040-5048．
[15]Ortiz,A．L．,Tian,J．-W．,Shaw,L．L．,& Li-aw,P．K．Experimentalstudyofthemicrostructureandstressstateofshotpeenedandsurfacemechanical
attritiontreated nickelalloys．Scripta Materialia,2010,62(3),129-132．
[16]B．Hadzima,F．Pastorek,K．Borko,S．Fintová,D．Kajánek,S．Bagherifard,M．Gholami-Kerman-shahi,L．Tr? ko,J．Pastorková,J．Brezina,Surf．Coat．Technol．2019,375,608．
[17]Tsuji,N．,Tanaka,S．,& Takasugi,T．Effectsofcombinedplasma-carburizingandshot-peeningonfatigueandwearpropertiesofTi-6Al-4Valloy．SurfaceandCoat-ingsTechnology,2009,203(10-11),1400-1405．
[18]Dai,Jingjie,Weng,etal．Hightemperatureoxida-tionbehaviorandresearchstatusofmodificationsonimprovinghightemperatureoxidationresistanceofti-
taniumalloysandtitaniumaluminides:Areview[J]．JournalofAlloysandCompounds:AnInterdiscipli-nary Journal of Materials Science and Solid-state
ChemistryandPhysics,2016,685:784-798．
[19]Zaraska,L．,Gawlak,K．,Gurgul,M．,Gilek,D．,Kozie?,M．,Socha,R．P．,&Sulka,G．D．Morphol-ogyofnanoporousanodicfilmsformedontinduringa-nodicoxidationinlesscommonlyusedacidicandalkalineelectrolytes．SurfaceandCoatingsTechnology．SurfaceandCoatingsTechnology．2019,362,191-199．
[20]陳步明,郭忠誠(chéng)．化學(xué)鍍研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．電鍍與精飾,2011,33(11):11-15＋25．
[21]MohanL,AnandanC WearandcorrosionbehaviorofoxygenimplantedbiomedicaltitaniumalloyTi-13Nb-13Zr．ApplSurfSci2013,282:281-290．
[22]VivienteJL ,GarciaA ,LoinazA ,etal．CarbonlayersformedonsteelandTialloysafterionimplan-tationofC＋ atveryhighdoses[J]．Vacuum,1999,52(1-2):141-146．
[23]Siddiqui,A．A．,Dubey,A．K．,& Paul,C．P．Astudyofmetallurgyanderosioninlasersurfaceallo-yingofAlxCu0．5FeNiTihighentropyalloy．Surface
andCoatingsTechnology．2019,361,27．
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