鈦及鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、化工和軍事工業(yè)等領(lǐng)域,但其硬度低、摩擦系數(shù)高、耐磨性差、高溫高速摩擦易燃等缺點嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。在鈦合金表面制備具有優(yōu)異性能的硬質(zhì)表面防護(hù)涂層可在保持基體鈦合金的高強(qiáng)輕質(zhì)特性的同時有效改善其薄弱的表面性能, 滿足一些行業(yè)的特殊使用要求。
目前,在鈦合金表面改性領(lǐng)域,常用的改性材料可以分為金屬、陶瓷等幾大類,所研究的材料不下數(shù)十種。常用的鈦合金的表面改性方法主要包括化學(xué)熱處理、離子注入、微弧氧化、電鍍、氣相沉積、熱噴涂、激光表面合金化和激光熔覆等。(關(guān)注微信公眾號:熱噴涂與再制造)
1、氣相沉積
鈦合金手表
在鈦合金的眾多表面改性工藝中, 氣相沉積技術(shù)因沉積速度快、耗材少等特點而廣受關(guān)注。常用的氣相沉積技術(shù)包括物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。
Ceschini 等人采用PVD 技術(shù)在Ti-6Al-4V 鈦合金表面制備了TiN、(Ti,Al)N 和超晶格CrN/NbN薄層。結(jié)果表明,PVD 涂層具有明顯高于基體材料的硬度,由于硬度的升高,TiN 沉積層的摩擦系數(shù)顯著降低, 其在干滑動磨損條件下的耐磨性能也得到了顯著改善。Grgler 等人通過CVD 方法在Ti-6Al-4V 合金表面沉積了金剛石涂層, 結(jié)果表明,在適當(dāng)工藝條件下制備該CVD 涂層后, 極大改善了合金的耐沖蝕磨損性能,而普通PVD 涂層一般無法達(dá)到此類性能要求。多數(shù)PVD 涂層存在著膜層結(jié)合力較低,在較高荷載下易發(fā)生剝落的缺點。(關(guān)注微信公眾號:熱噴涂與再制造)CVD涂層也有其缺點,如易導(dǎo)致工件變形、影響加工精度和易產(chǎn)生污染等。
2、 熱噴涂
鈦合金在發(fā)動機(jī)葉片上的應(yīng)用
熱噴涂技術(shù)是表面防護(hù)和強(qiáng)化的重要技術(shù)之一,熱噴涂工藝效率高、操作簡便靈活,而且由于其熱源的溫度范圍很寬, 因而可噴涂的涂層材料范圍較廣。(關(guān)注微信公眾號:熱噴涂與再制造)常用的熱噴涂方法包括超音速火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂、爆燃噴涂和氧乙炔火焰噴涂等。
Li 等人采用HVOF 噴涂技術(shù)在Ti-6Al-4V 表面制備了羥基磷灰石涂層。研究表明,涂層組織較為致密,力學(xué)性能較好,涂層硬度可達(dá)1.3GPa。Zhou等人采用等離子噴涂工藝在鈦合金表面制備了熱 障涂層,采用Ni-20Cr-6Al-Y 結(jié)合層,所用噴涂喂料為ZrO2-8wt%Y2O3粉末, 涂層截面硬度達(dá)1000HV以上。
熱 噴涂方法已被廣泛用于制備具有一定致密度和結(jié)合強(qiáng)度的耐磨抗蝕涂層。熱噴涂涂層具有明顯的層狀結(jié)構(gòu),容易在涂層中產(chǎn)生氣孔,且涂層與基體之間的結(jié)合大多是機(jī)械結(jié)合, 此類結(jié)合強(qiáng)度一般難以滿足重載條件下的服役要求。
3、 激光表面合金化和激光熔覆
鈦合金葉片
近年來, 隨著大功率激光器的相繼問世以及激光技術(shù)的不斷完善, 激光在各工業(yè)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。(關(guān)注微信公眾號:熱噴涂與再制造)常用的激光表面改性技術(shù)包括激光表面合金化、激光熔覆和激光重熔等。
激光表面合金化利用激光輻照使基體熔化,同時添加所需合金元素形成幾百微米至一毫米左右的合金化改性層,從而提高材料表面性能,且合金化表面層與基材可形成冶金結(jié)合。Sha 等人采用NiAl和ZrO2混合粉末, 在Ti-6Al-4V 合金表面制備了合金化層,結(jié)果表明,在合金化過程中生成了AlZr3和Ti3Al 等新相。改性處理的涂層組織更為細(xì)密,其硬度升高到500~650HV??傮w而言,激光表面合金化涂層與基材界面處的稀釋度常常偏大,且界面附近易形成脆性相。
激光熔覆技術(shù)是采用不同的填料方式在被涂覆基體表面預(yù)置涂層材料, 經(jīng)激光輻照使之與基體表面薄層同時熔化,并快速凝固后形成稀釋度低,與基材形成冶金結(jié)合的表面涂層。Sun 等人采用TiC和NiCrBSi 混合粉末在Ti-6Al-4V 表面通過激光熔覆工藝制備了TiC-NiCrBSi 復(fù)合涂層,結(jié)果表明,熔覆涂層由熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)組成,涂層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合。磨損試驗表明,該熔覆層的耐磨性能優(yōu)于原始鈦合金基體??傮w而言,激光熔覆技術(shù)存在的問題是熔覆過程中過高的溫度易造成預(yù)置粉末燒損, 且預(yù)置涂層中殘存的水分及熔覆過程中產(chǎn)生的氣體和夾雜等往往導(dǎo)致熔覆涂層中氣孔率偏大。
針對TC4 鈦合金表面硬度低、耐磨性差的缺點,將等離子噴涂技術(shù)與激光重熔技術(shù)相結(jié)合,采用納米結(jié)構(gòu)粉體在鈦合金表面制備了納米結(jié)構(gòu)Al2O3-TiO2涂層,結(jié)果表明,重熔涂層可保持納米結(jié)構(gòu),且涂層內(nèi)部組織均勻致密,與基體形成了良好的冶金結(jié)合,重熔涂層表現(xiàn)出雙模態(tài)特征,由熔融的熔凝組織和均勻分布在涂層中起增強(qiáng)作用的未熔顆粒組成,重熔涂層硬度可達(dá)1100~1800HV0.3,相當(dāng)于基體硬度的3~4 倍。
由于激光處理具有快冷快熱的特點, 極高的冷卻速度常常使得在涂層表層區(qū)域萌生裂紋。此外,鈦合金反應(yīng)活性大, 而陶瓷粉末與鈦合金基體的潤濕性又很差,且兩者的熱學(xué)性能相去甚遠(yuǎn)。因此,目前在鈦合金基體上直接制備質(zhì)量優(yōu)良的陶瓷熔覆層仍是一大挑戰(zhàn)。
4、 化學(xué)熱處理
鈦合金化學(xué)熱處理
鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑,可在不同溫度與多數(shù)元素發(fā)生發(fā)應(yīng),采用化學(xué)熱處理技術(shù)用于改善鈦合金的耐磨抗蝕性能、降低摩擦系數(shù)、提高其表面硬度。(關(guān)注微信公眾號:熱噴涂與再制造)常用的化學(xué)熱處理技術(shù)包括熱氧化、滲碳和滲氮等。
Zhang 等人采用擴(kuò)散氧化方法在Ti-6Al-4V 合金表面制備了一層非晶金剛石硬質(zhì)碳膜, 顯著改善了鈦合金表面的機(jī)械性能,并降低其摩擦系數(shù)。Tsuji 等人采用等離子滲碳技術(shù)對Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行了表面處理, 結(jié)果表明, 鈦合金的耐磨性能得到了明顯改善。
Nolan 等人通過等離子滲氮方法在Ti-6Al-4V合金表面制備了TiN/Ti2N 耐磨涂層, 結(jié)果表明,進(jìn)行滲氮處理后的鈦合金樣品的硬度和耐磨性能得到了顯著提高。利用化學(xué)熱處理技術(shù)通過在基體表面形成一層較高硬度的表面層,可提高基材的耐磨性,但高硬表面層脆性較高,且加熱導(dǎo)致晶粒長大,從而影響到基體材料本身的抗疲勞等性能。
5、 離子注入
離子注入技術(shù)是把氣體或金屬蒸氣通過電離形成正離子, 經(jīng)高壓電場加速使粒子獲得很高動能從而轟擊并進(jìn)入待處理表面或基材的表面處理工藝。(關(guān)注微信公眾號:熱噴涂與再制造)常用的注入元素有氮、碳、氧、硼、磷等非金屬元素和鐵、鋁、鋅、錫等金屬元素。
Luo 等人采用離子注入技術(shù)在Ti-6Al-4V 合金表面進(jìn)行了氮離子注入處理,結(jié)果表明,注入氮離子后,在基體合金表面形成了一層硬質(zhì)TiN 層,從而使得其表面納米硬度值從6.4GPa 升高到7.7GPa。微動磨損試驗也表明,離子注入可明顯改善其耐磨性。由于離子注入可使金屬材料表面實現(xiàn)陶瓷化, 近年來受到了廣泛的關(guān)注。但是,該工藝受離子注入能量的制約,強(qiáng)化層較淺,一般不超過1μm,從而限制了該技術(shù)的應(yīng)用。
6、 微弧氧化
微弧氧化技術(shù)是一種較為經(jīng)濟(jì)的在鈦合金表面制備陶瓷涂層的手段, 通過電解液與相應(yīng)電參數(shù)的組合, 在合金材料表面依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時高溫高壓作用, 生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜,(關(guān)注微信公眾號:熱噴涂與再制造)該技術(shù)可獲得相對較厚的氧化物膜層,且膜層的硬度和耐磨性均優(yōu)于原始合金基材。
Wang 等人采用微弧氧化技術(shù)在Ti-6Al-4V合金表面制備了納米晶TiO2復(fù)合涂層。對該微弧氧化層進(jìn)行納米壓痕試驗后發(fā)現(xiàn), 涂層硬度達(dá)5。5GPa,明顯高于原始鈦合金基體的3。4GPa。微弧氧化涂層厚度也僅為幾十微米, 難以在承受重載的條件下達(dá)到滿意的效果。
7、 電鍍
電鍍技術(shù)被廣泛用于鈦合金表面處理, 從而起到防止腐蝕, 提高耐磨性和抗氧化性等作用。(關(guān)注微信公眾號:熱噴涂與再制造)電鍍利用電解原理在金屬或其它材料制件表面沉積其它金屬或合金, 通過控制鍍液成分及電流等工藝參數(shù)可較輕易地控制鍍層的成分和厚度。
Ueda 等人通過電鍍技術(shù)在TiAl 合金表面沉積了鋁鉻合金,高溫氧化試驗結(jié)果表明,所沉積的鍍層均勻致密, 在高溫下可有效提高TiAl 基體材料的抗氧化性。Jin 等人采用改進(jìn)的微弧電沉積技術(shù)在TA2 鈦合金基體上沉積了一層Al2O3涂層,高溫氧化試驗表明鍍層與基體結(jié)合良好。在大多數(shù)情況下,鍍層與鈦合金基體之間的結(jié)合力偏低,難以制備較厚的鍍層,且電鍍工藝會產(chǎn)生大量工業(yè)廢水,污染環(huán)境。
展望
隨著納米科技和納米材料的發(fā)展, 納米技術(shù)與表面工程的結(jié)合為實現(xiàn)表面工程的跨越式發(fā)展提供了新的突破口.迄今為止,在鈦合金表面改性領(lǐng)域多采用傳統(tǒng)的改性材料, 如能采用適當(dāng)?shù)墓に噷⒓{米材料和納米科技應(yīng)用于鈦合金表面改性領(lǐng)域, 充分利用納米結(jié)構(gòu)材料的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)及優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和熱學(xué)等性能,有望在當(dāng)前基礎(chǔ)上實現(xiàn)新跨越, 進(jìn)一步改善鈦合金材料的表面性能。
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