浅谈钛合金表面化学处理强化技术_王斯妮.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期行业展望浅谈钛合金表面化学处理强化技术王斯妮仲照旭陈晨公秀凤(吉林安德电化科技有限公司沈阳分公司辽宁沈阳 110000)摘要介绍了钛合金的表面强化处理技术，综合评述了钛合金表面氮化工艺、渗碳工艺和渗硼工艺的应用。通过钛合金表面强化处理，提高其硬度，表面耐疲劳和耐磨损性能，使其在航空航天、船舶、兵器、电子、石油、化工、医疗等军用及民用领域得到日益广泛的应用价值。关键词钛合金表面强化盐浴处理渗硼工艺中图法分类号TG156TG178文献标识码ADoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.026Discussion on Surface Chemical Treatment StrengtheningTechnology of Titanium AlloyWang SiniZhong ZhaoxuChen ChenGong Xiufeng(Shenyang Branch of Jilin Ande Chemical Technology Co，Ltd，Shenyang 110000)ABSTRACTThe surface strengthening technology of titanium alloy was introduced，and the application ofnitriding，carburizing and boronizing process on titanium alloy surface was comprehensively reviewed Through thesurface strengthening treatment of titanium alloy，its hardness，surface fatigue resistance and wear resistance areimproved，making it increasingly widely used in military and civil fields such as aerospace，shipbuilding，weapons，electronics，petroleum，chemical industry，and medical treatmentKEYWORDSTitanium alloySurface strengtheningSalt bath treatmentBoronizing process1前言Ti 元素分布比较广泛，其含量超过地壳质量的0.4%，全球探明储量约34 亿吨，在所有元素中含量居第 10 位。钛比钢密度小 40%，而钛的强度和钢的相当，这可以提高其结构效率1 3。钛合金强度较高，塑性好，易于加工成形，冲压、焊接、可切削加工性能良好4;在大气、海水、氧化性、中性及弱还原性介质中具有良好的耐腐蚀性，抗氧化性优于大多数奥氏体不锈钢，采用渗氮、渗碳、渗硼表面强化技术5，将待渗元素转换成活性原子或离子状态渗透工件表面形成一定厚度的渗层，能 够 提 高 合 金 表 面 的 硬 度、耐 磨 性 和 耐蚀性6。2钛合金表面强化技术21渗氮工艺在渗氮初期，少量氮原子进入基体表层，由于氮原子属于间隙原子，所以形成了一种 Ti(N)固溶体，随着渗氮时间的延长，氮原子的含量逐渐增多与基体的 a (Ti)反应，在样品表面形成 Ti2N，当渗氮时间足够长后将在样品表面形成 TiN，紧挨着 TiN 层的为 Ti2N 层7。2 1 1QPQ 复合盐浴渗氮工艺盐浴复合处理的主要流程为:油污清洗预热盐浴氮化盐浴氧化去盐清洗烘干封装。上述工艺流程中，预热、盐浴氮化和盐浴氧化811作者简介:王斯妮，女，1988 年生，硕士研究生，工程师，邮箱:wangsini51163 com是主要工序8。预热的目的是保证试样表面干燥，不会引起盐浴飞溅，防止工件表面温度太低进入盐浴，明显降低盐浴的温度。把试件在炉中进行预热，也可以使合金表面在空气中发生氧化反应，生成钛氧化合物，从而促进氮化的进行:2Ti+O22TiO(1)8TiO+5 CTi8C5+4O2(2)盐浴复合处理工艺流程的核心是盐浴氮化工序。在工作温度下盐浴里的 CNO会分解，生成活性的 N、C。盐浴复合处理渗层中的化合物层和扩散层是 CNO分解生成的活性 N 和 C 逐渐向合金试样内部扩散渗入形成的。这是盐浴复合处理试样表面摩擦磨损性能、耐蚀性能显著提高的主要原因9。氮化是在盐浴中进行，在盐浴温度下基盐中尿素(NH2)2CO)分解生成氰酸(HCNO)，使盐浴中含有一定质量分数的氰酸根(33%37%，CN0.4%)。盐浴复合处理试样的化合物层是由盐浴中的 CNO在试验条件下分解生成 C 和 N扩散至合金内部形成的。其反应原理如下:CO23+2(NCO2NH3+2CNO+CO2+H2O(3)4CNOCO23+2CN+CO+2 N(4)2COCO2+C(5)8Ti+5 CTi8C5(6)Ti+C+NTiCN(7)其中，碳酸盐为碳酸钾和碳酸钠，并且钾离子和钠离子的个数比为 1 1。在试验过程中不能让盐浴中产生沉渣(主要是碳酸盐)，让盐浴中含有足够的氰酸根，进而使盐浴拥有高活性。盐浴氧化主要作用是分解工件从氮化炉中带出来的氮化盐，使氰根和氰酸根被分解成碳酸根，进而实现无污染、无公害的目的。这个过程的化学反应可表达如下:CN+AB1CO23+(8)CNO+AB1CO23+(9)同时在氧化处理后合金试样表面生成的一层氧化膜，可以增加合金试样的耐腐蚀性。另外，盐浴氧化也可以氧化化合物层，使化合物层中氧的含量增加并产生钝化，也有利于改善合金试样的耐腐蚀性能。2Ti+O22TiO(10)Ti+O2TiO2(11)2TiO+O22TiO2(12)2 1 2离子渗氮工艺N2和 Ar 混合气为气源，Ti6Al4V 表面离子渗氮形成渗氮层10。结果表明:在 900 且 N2:Ar=1:1 的渗氮条件下，渗氮层主要由化合物 Ti2N、TiN 和氮在 a Ti 的固溶体等相组成，渗氮后试样的表面粗糙度增大，渗氮层的硬度较基材 Ti6Al4V有很大提高，且与基体间有较好的结合强度，在球盘滑动磨损试验中，渗氮层无减摩效果，但其耐磨性较基材 Ti6Al4V 大大增强。22渗碳工艺在适当的温度下，对 Ti6Al4V 合金表面进行渗碳处理，其表面可得到一层均匀的渗层11。固体渗碳的实质是固态碳通过在高温环境中发生气化反应，产生含碳活性气体，含碳气体与合金表面反应，产生均匀的渗碳层。渗层表面形成致密分布的化合物层，而在基体内部则形成板条状或等轴状的沿晶界分布的颗粒扩散层。在基体的表面生成白亮的相互连成一片产物 TiC，白亮层由表面向心部逐渐变稀疏，稀疏层多为沿晶界分布的等轴状、板条状和锲型颗粒，可见扩散主要是沿TC4 晶粒的晶界进行，基体是典型的针状 +组织。23渗硼工艺钛的主要硼化物都是金属间化合物，质硬而脆，表现在渗层上也是硬度高，脆性较大。2 3 1气体渗硼工艺气体渗硼法将工件密封在渗硼罐内，B2H6气体作为供硼剂，H2为载流和稀释气体，通入渗硼罐内加热至渗硼温度(通常以 950 为宜)，通过分解、吸附、扩散从而在工件表面形成渗硼层12。目前，气体渗硼的供硼剂一般为三氯化硼(BCl3)、乙硼烷(B2H6)和三甲基硼(B(CH3)3)。气体渗硼与气体渗碳、气体渗氮等热处理一样，具有渗层质量好、渗速快、气氛可调控、可实现工业化、适合批量生产及渗后不需要进行清理等优点;缺点是三氯化硼易水解，至今尚未在工业生产上采用13。乙硼烷由于其性质不稳定，当用氢气作为载流时极易引发爆炸，且气源体价格昂贵，膏剂法是用乙醇将 B4C、NaB4O7、NaBF4、NaCl 和 NH4Cl911王斯妮等:浅谈钛合金表面化学处理强化技术2022 年 12 月第 6 期等原料的混合物调成糊状，涂在钛试样面，干燥后，整个埋入含有 B4C 的粉末中，在 1123 1238K温度下进行热处理。2 3 2固体渗硼工艺固体粉末法渗硼是将工件放置于含硼的活性介质中，通过加热、保温和冷却，使硼元素被吸附并扩散渗入工件表面层以改变表面层化学成分和组织14。其表面具有与基体不同的特殊性能的一种化学热处理工艺用 B4C 和无水 Na2B4O7作为供硼剂，制备出以 TiB2为主要成分的表面渗层，并研究了原料成分和反应条件对渗层相结构及厚度的影响。研究结果表明:渗硼剂配料中 NaB4O7和B4C 的质量分数比对渗层有很大影响，当(Na2B4O7):(B4C)=2:6 时，渗层厚度和表面清洁程度等综合性能最优。3工艺分析(1)QPQ 复合盐浴渗氮工艺处理的钛合金表面硬度、耐磨性显著提高，耐蚀性能也得到大幅度的改善，但盐浴成分为有毒物质，给生产安全及环境带来问题。离子渗氮速度快，质量好，但依赖于工件形状，还需要昂贵的专用设备。(2)固体渗碳操作简单、实用且成本较低;但是需要劳动强度大，渗剂粉尘污染环境，渗碳速度慢，生产率低，质量难以控制，仅适用于单件、小批量生产。(3)气体渗硼渗层质量好、渗速快、气氛可调控、可实现工业化、适合批量生产及渗后不需要进行清理等优点;固体渗硼工艺简单、高成本低廉、操作容易、易于实现。但由于渗硼层脆性较大，只适合提高小载荷工件的耐磨性。4结语总体来说，近年来国内外结构钛合金、高温钛合金、耐蚀钛合金、高强钛合金、低温钛合金等均取得了很大进展，在航空航天、船舶、兵器、电子、石油、化工、医疗等军用及民用领域得到广泛应用。参考文献 1 段冰冰，王治国，蔡晋，等 钛合金表面纳米化强化研究进展 J 表面技术，2021，50(12):202 216+245 2 赵丹丹 钛合金在航空领域的发展与应用J 铸造，2014，63(11):1114 1117 3 吴建新 钛合金材料在船舶材料上的应用 J 船舶物资与市场，2020，(08):5 6 4 李梁，孙健科，孟祥军 钛合金的应用现状及发展前景 J 钛工业进展，2004，21(5):19 24 5 孙静，齐元甲，刘辉，等 海洋环境下钛及钛合金的腐蚀磨损研究进展J 材料保护，2020，53(1):151156 6Michailidis N Variations in the cutting performance ofPVD coated tools in milling Ti6Al4V，explained throughtemperature dependent coating propertiesJ Surface Coatings Technology，2016，304:325 329 7 王一龙，徐广胜，刘振华，等 钛合金激光渗氮机理分析 J 焊接技术，2021，50(10):15 17 8 刘响，刘利国，孙宝勇，等 Ti6Al4V 钛合金 QPQ 盐浴复合处理工艺的优化J 机械工程材料，2018，42(02):64 68 9 刘响 Ti6Al4V 盐浴复合处理工艺及摩擦磨损性能研究 D 无锡:江南大学，2018 10 刘珍，于首明，刘道新，等 喷丸预处理对 Ti6Al4V 合金低温等离子体氮化的影响 J 稀有金属材料与工程，2021，50(10):3462 3469 11 代燕，吴旋，杨峰，等 TC6 钛合金渗碳层在不同介质环境中的腐蚀磨损性能 J 中国表面工程，2020，33(2):47 56 12 彭智涛 TC11 钛合金盐浴渗硼工艺研究D 南昌:南昌航空大学，2018 13 屠振密，李宁，朱永明 钛及钛合金表面处理技术和应用 M 北京:国防工业出版社，2010 14 许贞元，原慷，张思源，等 钛合金固相渗硼 稀土渗硼机理研究 J 热喷涂技术，2020，12(04):37 44(收稿日期:2022 03 18檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱)(接 21 页)2 张风坡