钛及钛合金表面增强技术的研究进展

综述了钛及钛合金表面增强技术的研究现状,如表面纳米化处理、表面扩渗和离子注入、表面涂层技术。论述了钛及钛合金表面强化技术今后的研究方向。通过研究集成计算材料工程、膜层设计和多技术复合工艺在表面增强技术中的应用,将扩展钛及钛合金在各行业领域的应用。     

医用钛及钛合金表面涂层研究进展

概述了钛及钛合金在医学领域的发展现状,以及常用的钛及钛合金表面处理技术,重点介绍了医用钛及钛合金表面耐蚀耐磨涂层、生物活性涂层和表面抗菌涂层的研究现状和发展趋势。在钛及钛合金表面制备涂层能够使其更适合作为植入物在医学领域应用,但由于涂层自身还存在一定局限性,临床试验也需要大量的时间,目前涂层还没有大规模应用到临床医疗中。为了尽可能地改善单一涂层存在的缺陷,多组元、多层复合涂层是目前医用钛及钛合金表面涂层的研究重点。     

专利信息

表面活性坚强内固定钛接骨板及其制造方法，医用钛及钛合金表面活化改性方法，用石墨电极对钛合金材料表面电火花放电强化处理的方法，一种钛表面辉光离子无氢渗碳工艺方法，一种稀土铝硅钛合金的生产方法。     

钛及钛合金的表面处理技术新进展

钛及钛合金具有高比强度、优良的耐蚀性、良好的高温性能,在现代航空航天、军事工业、民用工业中占据越来越重要的位置。但是,钛及钛合金自身硬度低、耐磨性能差的缺点限制了它的进一步应用。介绍了几种能改善表面性能的表面处理技术在钛及钛合金上的应用以及这些处理技术的特点和最新进展。包括：激光熔覆表面处理、CVD、PVD、热扩散法和表面纳米化,以及多组元和多层涂层技术。     

钛合金表面纳米化强化研究进展

钛及钛合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点,在航空航天领域得到了广泛应用.表面纳米化是在材料表面形成一层由纳米级颗粒或晶粒组成的强化层,从而改善金属材料的表面性能,具有普适性好、工艺简单等独特优势.对钛及钛合金进行表面自纳米化处理后,其表层产生了剧烈的塑性变形,在材料中形成了独特的梯度纳米结构层,分别为剧烈变形层、亚微米细晶层、粗晶应变层和基体层,表层组织结构的改变也会导致钛合金表层性能产生变化.首先,对表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合纳米化3种金属表面纳米化方法进行了简要概述,分析了各自优缺点以及目前存在的问题.其次,着重论述了孪晶和位错在钛合金自纳米化过程中所起的关键作用,探讨了α、α+β、β3种类型钛合金纳米化机理存在的差异,对钛合金表面纳米化机理的研究现状进行了归纳总结,在此基础上,重点介绍了表面纳米化处理对钛合金表层性能的影响,主要包括近年来关于硬度与残余应力、疲劳、腐蚀、磨损、扩散性能的影响及研究现状,并对其强化机制进行了分析.最后,归纳总结了现有钛合金表面纳米化研究存在的不足,对今后的研究工作进行了展望,并提出应将表面纳米化技术与数字化仿真技术、渗氮等工艺结合,发展数字化、复合强化技术,以期为表面纳米化技术在钛合金领域的发展研究提供有价值的参考.     

热氧化提高钛及钛合金表面性能的研究进展

热氧化作为一种引起广泛关注的钛及钛合金表面改性技术,具有工艺简单、原位生长、薄膜厚度大以及性价比高等特点。通过热氧化表面处理技术能够在钛及钛合金表面形成较厚的由钛氧化层和氧的扩散层组成的硬质氧化膜,氧化膜对材料起到有效的保护作用,提高了材料单一耐磨性、耐蚀性以及生物活性或综合表面性能。从热氧化工艺原理及其对钛及钛合金表面性能影响的角度,综述了热氧化对钛及钛合金表面硬度、耐磨性、耐蚀性、生物相容性等性能影响的研究进展,并对其以后的研究方向进行了展望。通过合理控制氧化温度、氧化时间、氧化气氛及冷却方式等工艺条件,从而得到连续、致密且疲劳性能较好的金红石型TiO_2和氧的扩散层是改善钛及钛合金性能的关键。将热氧化处理与其他工艺相结合,针对性地提高膜层厚度及材料的耐磨性、耐蚀性、生物性能等,以实现复合涂层的制备将是热氧化在钛及钛合金性能改善方面的研究方向。     

钛合金表面电火花沉积强化研究现状

介绍了电火花表面沉积工艺的基本原理和技术特点，以及国内外电火花沉积技术在钛合金表面强化领域的研究现状。在钛合金表面进行电火花沉积，可得到具有高硬、耐磨、耐高温氧化、低摩擦系数的特殊表面涂层。虽然电火花表面强化技术具有特殊的强化效果，但存在着电火花强化层的表面粗糙度不容易控制、生产效率低、强化工艺不稳定的缺点。因此，今后要深入研究电火花放电机理，进一步提高强化效率，研究不同电极、基体材料的强化工艺。     

《中国表面工程》2007年第5期

钛合金微弧氧化陶瓷层的结构研究；等离子复合渗镀陶瓷层腐蚀磨损性能的研究；钛表面预处理对溶胶-凝胶法制备羟基磷灰石涂层的影响；非晶碳涂层在不同环境下的摩擦磨损行为研究；OTS自组装分子膜改性处理钛金属的摩擦学特性研究。[第一段]     

钛基金属表面生物活性改性研究进展

从工艺、生物活性涂层新体系开发、涂层结构设计、生物活性涂层性能改进以及涂层评价标准等角度,系统地综述了钛及其合金表面生物活性涂层的研究状况,同时展望了医用钛合金表面生物活性改性研究的发展趋势,认为解决钛基金属表面生物活性改性研究的重点应该放在能够同时解决涂层与基体的界面稳定性和相应涂层制备工艺的适应性上。     

钛及钛合金腐蚀行为研究进展

钛及钛合金在服役过程中会出现点蚀、应力腐蚀和电偶腐蚀等问题,因此对于钛及钛合金腐蚀行为的研究极为重要。综述了近年来钛及钛合金在海洋工程、航空工业、油气开采和化学工业中腐蚀行为的研究进展及存在问题,简要介绍了钛及钛合金表面处理技术取得的研究成果,最后对该领域发展趋势进行了展望：(1)在现有研究的基础上应更深入探究钛及钛合金在多影响因素耦合作用下的腐蚀失效行为及表面处理技术;(2)注重结合实验和数值模拟等手段从微观尺度探究钛及钛合金的腐蚀机理,加快建立钛及钛合金腐蚀性能等相关数据库;(3)进一步降低各种表面处理技术的成本,开发“复合防护”技术,深入探究能够提升钛及钛合金综合性能的新型表面处理技术。     

汽车零部件表面强化技术研究现状及展望

在传统渗碳、渗氮及表面淬火工艺的汽车零部件表面强化技术基础上,简单综述了传统工艺在汽车零部件表面强化上应用的工艺优缺点及研究现状,重点阐述了新型表面形变强化、高能束流表面强化、表面冶金强化、表面复合强化及表面纳米强化的汽车零部件表面强化技术,详细介绍了目前广泛使用的新型表面形变强化中的喷丸强化工艺、高能束流表面强化中的激光表面淬火与电子束表面淬火工艺及表面冶金强化中等离子喷涂工艺的技术特点和应用现状,分析了国内外汽车零部件表面复合强化技术和表面纳米强化技术的工艺特点和研究现状,尤其是将表面复合强化技术中的传统工艺与传统工艺、传统工艺与新型工艺、新型工艺与新型工艺的多种复合工艺的相互结合及QPQ盐浴复合处理技术在汽车零部件表面强化上的应用,最后展望了未来汽车零部件表面强化技术的发展方向。     

TC4钛合金表面沉积CrAlSiN涂层的组织与性能

为了提高TC4钛合金表面硬度和耐磨性能,通过等离子渗氮技术和多弧离子镀技术相结合的方法对TC4钛合金进行表面改性处理。通过扫描电镜、维氏显微硬度计、三维轮廓仪、高速往复摩擦磨损试验仪和电化学工作站,对比研究了TC4钛合金、渗氮层和CrAlSiN涂层的显微组织、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能。结果表明,经渗氮处理后,TC4合金表面渗氮层硬度提高了约2倍,在此基础上制备的CrAlSiN涂层的平均硬度高达3222 HV0.025,涂层表面存在少许大颗粒和凹坑;CrAlSiN涂层平均摩擦因数为0.22,磨损机理主要为粘着磨损,对磨副的材料粘着到涂层表面,而涂层几乎无磨损,耐磨性能显著提高。CrAlSiN涂层的自腐蚀电位为-0.542 V,比TC4钛合金基体的自腐蚀电位-0.747 V正移了0.205 V,表明在渗氮层基础上沉积CrAlSiN涂层显著提高了合金的耐电化学腐蚀性能。     

钛合金表面半导体激光气体氮化涂层的性能研究

目的提升钛合金(TC4)叶片表面性能,解决失效问题。方法实验采用激光局部气体氮化工艺代替传统氮化工艺,利用2 k W柔性光纤耦合半导体激光器在钛合金(TC4)基体表面采用气体氮化的方法制备TiN表面改性层。采用摩擦磨损试验机和改制的汽蚀装置分别测试了氮化层与基体(TC4)的耐磨性与抗汽蚀性能。结果摩擦磨损实验后,激光氮化层的质量损失为2.3 mg,基体TC4的质量损失为20.2 mg,激光氮化层的损失质量为基体TC4的11.3%,激光氮化层抗磨损性能相较基体TC4提高了7倍。TC4基体汽蚀损失的质量为4.08 mg,而氮化层的质量损失为1.13 mg,氮化层的抗汽蚀性能比基体提高了2.61倍。结论采用半导体激光气体氮化钛合金叶片能够得到分布着大量TiN枝晶的氮化层,提高表面耐磨损性能,氮化层中的TiN枝晶构成的网篮状组织对其表面抗汽蚀性能也有所提高。     

Influence of Treatment Sequence on Tribological Performance of Duplex Surface-Treated AISI 1045 Steel

The surface of AISI 1045 steel specimens was modified via two duplex surface treatments of(i) titanium diffusion coating followed by plasma nitriding(Ti–PN) and(ii) plasma nitriding followed by titanium diffusion coating(PN–Ti). A comparative study on the microstructure and wear properties of the fabricated TiN coatings was conducted. A scanning electron microscope equipped with energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffractometer(XRD), and pin-on-disk wear test was utilized to evaluate the microstructures, phases, and wear properties of the coatings. XRD patterns of duplex-treated specimens illustrated that the modified layer consisted of nitride and carbo-nitride phases such as TiN and TiC_(0.7)N_(0.3). The results also showed that Ti–PN treatment led to a low friction coefficient and the lowest wear factors, as compared with the PN–Ti treatment. Oxidation and mild fatigue fracture wear were found to be the main wear mechanism of the Ti–PN coating. The wear mechanism in the PN–Ti specimen involved a higher oxidative wear regime followed by plastic deformation wear regimes.     

钛合金空蚀损伤及防护的研究进展

钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等优势,被广泛应用于诸多工程领域。由于钛合金存在表面硬度低、耐磨性差等缺点,导致其在过流部件中容易发生空蚀损伤,会降低钛合金构件的使用寿命,因此针对钛合金空蚀损伤行为及其防护措施的研究显得极为重要。概述了空蚀现象的作用机理和理论模型,详细介绍了材料自身的力学性能、表面状态、介质类型和溶液温度等对钛合金空蚀行为的影响,着重讨论了针对钛合金空蚀损伤的多种应对措施,如热处理、激光纹理加工、激光气体氮化、化学热处理、离子注入、添加缓蚀剂等技术,总结了相应方法提高钛合金抗空蚀性能的具体原因。其中,热处理技术通过改变钛合金自身的显微组织来提高其抗空蚀性能;激光气体氮化工艺可在钛合金表面形成硬质TiN相,以抵御空泡溃灭时的冲击;化学热处理技术在钛合金表面生成了致密的陶瓷层+固溶扩散层,缓解了空泡的溃灭能,延长了空蚀的孕育期;离子注入技术依靠注入离子在钛合金材料表面产生固溶强化、位错增值强化等效果,降低其空蚀损伤。最后对钛合金空蚀及防护研究的发展方向提出了展望。     

稀土含量对Ti6Al4V钛合金等离子渗氮层组织和摩擦学性能的影响

目的研究稀土含量对Ti6Al4V钛合金表面等离子体渗氮层结构和性能的影响。方法运用等离子表面改性技术对Ti6Al4V(TC4)钛合金进行等离子渗氮处理,渗氮过程中通入不同含量的稀土作为催渗剂,以获得钛合金表面强化层。利用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察渗氮层组织,用X射线衍射仪(XRD)分析渗层相组成,用能谱仪(EDS)检测渗层的化学成分,用维氏显微硬度计测量渗层的显微硬度,用球-盘式摩擦磨损试验机和三维轮廓仪检测渗层的摩擦磨损性能。结果TC4钛合金表面等离子渗氮层结构包括表面化合物层(主要成分为δ-TiN)和扩散层(主要为N原子扩散形成的N-Ti固溶体),加入稀土可以促进N原子向基体的扩散,提高渗氮速度。渗层厚度增加,硬度和耐磨性能提高,扩散层使钛合金基体与化合物层之间的硬度梯度更加平缓。当稀土通入速率为60 mL/min时,渗层厚度可达155μm,表面硬度为1275HV0.05,摩擦系数降到0.27,磨损率明显降低。结论钛合金等离子渗氮过程中加入稀土可以有效提高渗速,改善渗氮层硬度,提高材料表面的耐磨性能。     

钛合金化学热处理研究进展

钛合金由于存在致密钝化膜、极高的氧亲和力和较低的原子扩散系数,表面强化很难实现。但钛的碳氮化物及固溶相具备优异的性能,通过渗氮、渗碳、渗硼、渗金属4种化学热处理技术可大幅度改变合金表层组织结构,提高表面硬度和强度。对钛合金化学热处理常用技术特征、渗层微观组织结构、强化机制及力学行为进行了归纳总结,并对未来化学热处理发展前景做了展望。     

海洋环境钛金属的应用现状及其防护技术研究

钛金属具有优异的耐海水和海洋大气腐蚀性能,因此在海洋装备中有广泛应用。但是钛金属在严酷海洋环境中应用表现出一些不足之处,如耐磨蚀性能差、易生物污损和电偶腐蚀等问题,严重影响了钛金属结构件的长寿命和安全可靠服役。介绍了钛金属在海洋环境中的应用现状,揭示了存在上述不足问题的本质原因。如海洋环境磨损与腐蚀的交互作用导致耐磨性能差的钛金属磨蚀损耗加剧,钛金属良好的生物相容性使其产生严重的生物污损,钛金属相比于其他金属具有较高的正电位,在介质环境中与异种金属偶接时作为阴极被保护从而加速偶接合金的腐蚀。鉴于钛金属优异的海洋耐候性,其在海洋环境中的应用必将越来越广泛,但是合适的表面处理和涂层防护是必不可少的。综述了国内外钛金属在海洋环境应用相关防护技术的研究现状,并对海洋环境中钛金属表面防护技术的发展方向和趋势进行了展望：金属陶瓷涂层和可控纳米结构氧化物陶瓷涂层是海洋环境钛金属运动部件耐磨蚀保护有效的技术手段;防污剂释放型和纳米缓释涂层技术是实现钛金属长效防生物污损很有前途的技术方法;钛金属表面低导电表面改性层的设计和制备可降低与其接触异金属的电偶腐蚀速度。     

Tribology of nitriding layer, TiN coatings and their complex on AISI D2 steel

The sliding wear and impact wear resistances of D2 steel with nitriding layer, PVD titanium nitride coating and their duplex treatment were investigated. The experimental results suggest that the duplex treatment has the best sliding and impact wear resistances under experimental conditions. And the wear resistance of PVD titanium nitride is better than that of nitriding. The impact wear resistance and wear mechanism of all three surface layers remain unchanged under impact load of 0.2 J or 1 J. All samples end with the same symptom of flaking.     

QPQ技术在9mm警用转轮手枪上的应用

QPQ盐浴复合处理技术是一种新的金属表面强化改性技术,该技术应用于9mm警用转轮手枪取得了明显的成效,手枪表面得到强化的同时又提高了耐磨性、耐蚀性,还具有优良的外观。工艺控制的要点是渗氮温度和渗氮时间,盐浴中CNO-和CN-含量和盐浴的清洁度,前处理对表面质量非常重要。