钛合金表面耐磨性能及抗氧化性能的研究现状

钛合金表面耐磨性能及抗氧化性能的研究现状

韩杰阁;陈蔚泽;张浩;黄安国

【摘要】钛合金具有密度小、质量轻、比强度高、比刚度高、良好的耐腐蚀性和耐热性、塑韧性好以及优良的加工性等优点,广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、体育器械及生物医疗等众多领域.但钛合金摩擦系数大、易黏着、耐磨性能差、高温(700℃)条件下氧化严重、不易润滑等缺点,大大限制了钛合金的应用和发展.介绍激光熔覆、磁控溅射、离子注入等常见的钛合金表面改性技术的研究现状,指出各种改性技术对钛合金耐磨性能、高温抗氧化性能的改善效果,并探讨各种改性技术的优缺点.在此基础上提出综合提高钛合金耐磨性和高温抗氧化性的新思路并展望其发展前景.%Titanium and its alloys have broad applications in aerospace,transportation,petrochemical industry,sports equipment and bio-medical due to their excellent material properties such as low density,high specific strength and rigidity,excellent thermal and corrosion resistance,specific stiffness and high fatigue.However,its shortcomings are also obvious:its large friction coefficient,stick easily,poorly wear resistance,not lubricate and serious oxidation under the high temperature (700 ℃) conditions,which have greatly limited the application and development of titanium alloy.This paper introduces the research status of laser cladding,magnetron sputtering,ion implantation and other common titanium alloy surface modification technology.Points out the improvement of each modification technology on the wear resistance and high temperature oxidation resistance of titanium alloy,and discusses their advantages and disadvantages.On this basis,a new idea of composite

improving the wear resistance and high temperature oxidation resistance

of titanium alloy is put forward and prospected its development prospect.【期刊名称】《电焊机》

【年(卷),期】2017(047)003

【总页数】6页(P73-78)

【关键词】钛合金;耐磨性;高温氧化性;表面改性技术

【作者】韩杰阁;陈蔚泽;张浩;黄安国

【作者单位】华中科技大学材料成型与模具设计国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料成型与模具设计国家重点实验室,湖北武汉430074;华

中科技大学材料成型与模具设计国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学

材料成型与模具设计国家重点实验室,湖北武汉430074

【正文语种】中文

【中图分类】TG457

钛合金具有比刚度、比强度高，耐腐蚀性、耐热性和塑韧性好以及加工性优良等优点[1-4]，已成为应用于航空航天、交通运输、石油化工和生物医学等领域[5-6]的重要材料，在尖端学科与高新技术方面占有重要的地位。但钛合金摩擦系数较大、易粘着、耐磨性差、高温条件下氧化严重、不易润滑等特点，极大地限制了钛合金的使用性及应用范围。尤其是钛合金在摩擦副运动部件的使用方面受到严重限制，这是因为常温及高温条件下的耐磨性能是钛合金作为运动部件的关键使用性能[7]。因此，改善钛合金的耐磨性及高温抗氧化性，对于扩大钛合金的应用范围具有重要意义。

为改善钛合金表面性能，使之具有较高的硬度、良好的耐磨性和高温抗氧化性能，除了改善合金成分及优化制备工艺等方法外，表面改性技术也是目前改善钛合金性能最有效的方法之一[8-10]。通过在钛合金的表面制备不同的复合涂层，实现提高钛合金表面耐磨性能和高温抗氧化性能的同时保持基体的高强质轻的特质，对扩大钛合金的应用范围具有重大意义。

本研究综述了一些常见的表面处理方法，并阐述各种方法对钛合金性能的改善效果，为后续的研究提供理论基础。

1.1 提高耐磨性的技术

目前，提高钛合金耐磨性的表面改性技术很多，应用较为广泛的有喷砂或喷丸、化学镀、离子注入、磁控溅射、微弧氧化、激光表面处理等[11-15]。不同的改性技

术对钛合金表面硬度的改善效果见表1。

1.2 钛合金耐磨性能研究进展

1.2.1 表面渗氮/碳技术

表面渗氮与渗碳或碳氮共渗类似，是将氮原子渗入金属材料表层形成氮化物改性层的化学热处理方法。杨闯等人[16]研究发现经过820℃×10 h的低压渗氮处理后，TC4钛合金的表层物相主要由TiN、TiAlN和Ti3Al相组成，其表面硬度达800～900 HV，比未经渗氮处理的基体提高了近3倍。由于表面渗氮使得钛合金表面由表层的氮化物层和次表面的渗氮改性层共同组成，渗氮改性层与基体结合性好，氮化物层组织致密，有效的硬化层深度达30～40μm。在300 N载荷下磨损1 h后，其磨损损失量仅为基体TC4钛合金的1/5，且磨损表面的膜层完整，犁沟较浅，

未出现撕裂痕迹，其耐磨性能得到极大改善。

1.2.2 双层辉光离子渗技术

秦林、唐宾等人[17]采用双层辉光离子渗金属技术在TC4钛合金表面进行合金化，形成了高硬度、均匀且致密、厚度为9.4 μm的钛钼合金渗层。合金化后的表面硬