冷變形Ti6A14V合金低溫滲氮及時效組織演變研究.pdf

1、Ti6Al4V(TC4)合金以其比強度高，耐腐蝕性能優(yōu)良的特點在航空航天及海洋工程等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但是其固有的摩擦學(xué)性能差的缺點限制了其應(yīng)用范圍。離子滲氮被廣泛采用來強化TC4表面，提高其抗磨損性能，有滲氮速度快、熱變形小、表面滲層和基體結(jié)合好、氮鈦化合物硬度高等優(yōu)點。目前針對TC4合金離子滲氮的研究主要集中在600℃到900℃的高溫區(qū)間，而高溫滲氮會導(dǎo)致TC4基體內(nèi)晶粒長大，降低其強度和疲勞性能;而600℃以下低溫離子滲氮的研究表明

2、，在此溫度區(qū)間N元素滲入TC4合金的速率非常緩慢，材料表面性能提高十分有限。
　　針對上述問題，本論文提出形變促滲TC4低溫離子滲氮的觀點，并據(jù)此設(shè)計了具體的形變復(fù)合低溫滲氮工藝。工藝過程為固溶處理—冷軋變形—低溫離子滲氮。此工藝的目的有兩點:第一，利用形變促滲強化TC4合金低溫滲氮的效率，使600℃以下低溫滲氮的效果能達(dá)到高溫滲氮的水平;第二，將滲氮溫度設(shè)計在TC4的時效強化溫度區(qū)間內(nèi)，預(yù)先對TC4合金進行了固溶處理，則滲氮時基

3、體在時效溫度下，產(chǎn)生時效強化。因此，復(fù)合工藝在滲氮的同時還可以增強基體，起到雙重強化的作用。
　　本文通過實驗為固溶處理選擇合適的加熱溫度，根據(jù)塑性性能選擇820℃為固溶處理的工藝溫度。編制多因素工藝實驗，將壓縮變形率、滲氮溫度和滲氮時間設(shè)為變動因素，各因素設(shè)定不同的水平，進行滲氮實驗，以探索各因素對滲氮后TC4性能的影響。滲氮溫度的設(shè)定為400℃、500℃及540℃。固溶處理后的試樣，按實驗方案在軋機上進行軋制，之后進行滲氮處理

4、。滲氮工藝之外，在500℃及540℃進行單純時效處理的對比實驗，對比實驗的溫度、變形率和保溫時間的設(shè)定和對應(yīng)的滲氮實驗相同。使用熱力學(xué)軟件計算滲氮過程中的Gibbs自由能，Ti-N相圖和Ti-Al-N三元相圖，并根據(jù)相圖分析滲氮的平衡組織。使用金相、X射線衍射、顯微硬度、摩擦磨損試驗、掃描電鏡和能譜分析、納米壓痕等檢測手段，對各工藝下試樣的滲層、基體組織和抗磨損性能進行分析。
　　TC4經(jīng)過復(fù)合滲氮，滲層分為2層:鈦氮化合物層和擴

5、散層。在本論文實驗設(shè)計的多種條件下，鈦氮化合物層厚度穩(wěn)定，厚度始終在1μm左右。擴散層厚度隨工藝參數(shù)不同變化較大。
　　分析表明變形對TC4滲氮過程中滲層的形成及其性能有顯著的影響。變形顯著影響滲層擴散層的厚度。在540℃/16h工藝條件下，10％變形率試樣的擴散層深度為40μm，而50％變形率試樣的擴散層深度為60μm，增加50％。
　　形變復(fù)合低溫滲氮工藝取得的硬度增加值ΔH2遠(yuǎn)大于單純滲氮工藝取得的硬度增加值ΔH1，在

6、滲氮溫度為500℃時，ΔH2/ΔH1可達(dá)231％。因為變形的促滲作用，低溫下復(fù)合滲氮工藝可得到和高溫滲氮下相當(dāng)?shù)脑嚇有阅?。在?fù)合滲氮工藝540℃/16h/40％(540℃滲氮16h，變形率40％)下得到最高表面硬度值HV661，與700℃/10h的離子滲氮工藝取得的硬度值HV630相當(dāng)。
　　變形對試樣的抗磨損能力有顯著的影響。經(jīng)540℃/8h工藝后，50％變形率試樣，比0變形試樣磨損率下降60％;形變復(fù)合滲氮顯著改善了TC4合金

7、的抗磨損能力，在540℃滲氮時，試樣磨損率比未滲氮試樣最大下降了84％。
　　形變復(fù)合滲氮后，滲氮試樣內(nèi)部發(fā)生了時效，組織表現(xiàn)為時效組織，心部硬度升高。和0變形試樣相比，變形試樣基體保留其變形形成的方向性形貌，組織細(xì)化，組織內(nèi)的時效析出相更為細(xì)小，最終的硬度較高。滲氮和單純時效都提高了基體的硬度，滲氮基體的時效效果和單純時效對基體的影響相當(dāng)。
　　工藝540℃/22h/50％為多因素實驗中的最佳工藝。在此工藝下，TC4取得較