不同温度下等离子渗氮后TC4钛合金的摩擦磨损性能EI北大核心CSCD

采用等离子渗氮技术提升TC4钛合金的耐磨性并探究最优渗氮温度。利用LDM 1-100型等离子渗氮设备,在650,700,750,800,850℃和900℃温度下对TC4钛合金进行渗氮处理,保温时间均为10 h。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、白光三维形貌仪、X射线衍射仪和显微硬度计分别对不同温度渗氮试样的微观组织结构、表面形貌、表面粗糙度、相结构和硬度进行表征。利用CETR UMT-3型多功能摩擦磨损试验机测试等离子渗氮后TC4钛合金的摩擦学性能。结果表明:TC4钛合金表面显微硬度和粗糙度随温度升高而增大,在900℃渗氮后TC4钛合金表面显微硬度达到了1318HV 0.05,约为基体(360HV 0.05)的4倍。硬度的升高是由于渗氮后试样表面形成了硬质氮化物相(TiN和Ti2N相),且随着渗氮温度升高氮化物的含量增加。相较于低温渗氮(低于750℃)的试样,850℃和900℃渗氮试样的承载能力显著提升。与原始TC4试样相比,渗氮处理后试样的磨损体积显著降低。当渗氮温度为850℃时,试样磨损体积为未处理试样磨损体积的1.2%(1 N),3.0%(3 N)和62.2%(5 N),试样的耐磨性提升更为显著。     

表面预处理对钛合金表面低温等离子体氮化的影响

为提高TC4钛合金表面摩擦学性能,探究酸洗及等离子体预处理对TC4钛合金表面低温等离子体氮化进程的影响。首先采用热丝增强等离子体氮化系统分别对表面酸洗及未酸洗TC4钛合金在氩气气氛下进行等离子体预处理,然后对各种表面预处理的TC4钛合金实施低温(500℃)等离子体氮化。采用扫描电子显微镜、能谱仪及X射线衍射仪分别分析了试样的截面形貌、氮势分布和物相组成;采用显微硬度计、摩擦磨损仪和轮廓仪测试氮化后TC4钛合金表面的显微硬度、磨痕曲线和摩擦系数,并计算了磨损量。结果表明:低温氮化后TC4钛合金基体组织形貌不变,表面获得厚度约10μm的氮化层。氮化后TC4钛合金的XRD衍射峰均向低角度偏移,表明形成含氮固溶体相。其中酸洗复合30 A等离子体预处理的TC4钛合金氮化后,XRD衍射峰向低角度偏移最明显,偏移量达0.2°。与基体相比,酸洗复合30 A等离子体预处理的TC4氮化表面显微硬度提高至691 HV,磨损量仅为基体的16%。酸洗复合等离子体预处理有效去除TC4钛合金表面氧化层、粗化表面,促进低温等离子体氮化进程,有利于含氮固溶体相形成,从而提高其表面摩擦学性能。     

低温低压电弧等离子体渗氮处理316不锈钢的耐腐蚀性能

在低温下对316奥氏体不锈钢进行低压电弧等离子体渗氮处理,研究了渗氮处理对不锈钢耐腐蚀性能的影响。结果表明:渗氮层有两个子层,由纳米晶扩张奥氏体和少量的Cr N化合物组成的外表层和单一结构的扩张奥氏体内层。由于低压电弧等离子体浓度高,在400℃渗氮1 h得到的渗氮层厚度达到15μm,表现出很高的渗氮速率。纳米晶外表层是渗氮不锈钢耐腐蚀性能的关键,促进了钝化膜的生成,渗氮后试样表面形成的钝化膜厚度达到27 nm,比原始不锈钢钝化膜的2倍还多。渗氮不锈钢试样的腐蚀电流(3.55×10~(-8)A/cm~2)比基材的腐蚀电流(1.99×10~(-7)A/cm~2)降低一个数量级,表明渗氮后试样的耐腐蚀性能提高了。     

TC4钛合金低压真空渗氮处理

为了改善表面性能,对TC4钛合金在不同温度下进行低压真空渗氮处理。采用扫描电子显微镜和X射线衍射分析了渗氮层的组织结构,测试了渗氮层的显微硬度和耐磨性。结果表明,TC4钛合金经低压真空渗氮处理后,可获得由表层Ti N和次表层Ti2Al N组成的改性层。温度较低时,表面形成氮化物数量较少,渗层较薄,硬度较低。随温度升高,氮化物数量增多,渗层厚度增加,硬度及耐磨性也随之增加,温度达820℃时,表面硬度可达1000~1100 HV,硬化层深度为50~60μm。温度继续增加,氮化物聚集长大,渗氮层开始变得疏松,硬度及耐磨性下降。     

氮化温度对24Cr2Ni4MoV钢离子氮化显微组织的影响

为了提高24Cr2Ni4MoV钢零件的表面硬度和耐磨性,对24Cr2Ni4MoV钢进行了离子氮化工艺试验研究,应用光学显微镜和扫描电子显微镜等仪器对520,550,570℃共3个温度离子氮化试样的显微组织、氮化层深度、表面硬度、表面渗氮层脆性、脉状组织等进行了检测分析,并应用能谱仪对渗氮层中氮化物成分进行了分析。结果表明:24Cr2Ni4MoV钢具有良好的氮化效果,其最佳离子氮化温度为550℃;试样在550℃氮化后,不仅氮化层的各项性能均满足标准技术要求,而且提高了渗氮速率,缩短了渗氮时间。     

近β钛合金TLM表面双层辉光等离子渗氮及其腐蚀性能研究

为改善生物医用钛合金的表面性能及植入人体后的耐腐蚀性能,利用双层辉光等离子技术在近β钛合金TLM表面进行渗氮处理。通过金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、电子显微镜及电化学工作站研究渗氮后TLM钛合金的截面金相、相结构、显微硬度及表面改性前后TLM钛合金在人工模拟体液(hank's溶液)中的电化学腐蚀性能。结果表明:近β型钛合金TLM表面渗氮处理后,可得到一层致密、均匀的改性层,厚度约4~5μm。其主要成分为Ti_2N和Ti-cubic,显微硬度由(238±10)提升至(874±10)HV;电化学腐蚀实验中渗氮改性层的E_(corr)从-0.5923上升至-0.4904 V,I_(corr)由3.653×10~(-7)降低至8.742×10~(-8)/cm~2,交流阻抗值显著增大,表明TLM钛合金表面渗氮改性处理可以提升其在人工模拟体液中的耐腐蚀性能。     

稀土催渗对耐蚀氮化的影响

针对Q235钢采用常规气体氮化,其耐腐蚀性能日渐不能适应工程应用要求的问题,探索了添加稀土催渗剂对Q235钢进行稀土催渗氮化的方法.详细研究了渗氮工艺对氮化层厚度的影响.测量了渗氮试样表层硬度沿渗层深度的分布及耐蚀性能与渗氮工艺的定量关系.所有实验与观察均为稀土与常规2种渗氮试样在相同条件下平行操作并做对比分析.采用X光荧光谱仪测量了渗层稀土元素的分布.用X射线衍射仪测量了渗层的相组成.用金相显微镜观察了2种渗氮试样的显微组织.研究结果得出,稀土催渗氮化比常规氮化显著增加了氮化层的厚度,其显微硬度与耐腐蚀性能大幅提高.600℃下渗氮2 h为最适宜的稀土氮化条件.     

低温离子渗氮提高2Cr13不锈钢的冲蚀磨损与冲刷腐蚀抗力

采用喷射式固体粒子冲蚀磨损实验机和浆体冲刷腐蚀装置对比研究了350℃低温离子渗氮和550℃常规高温离子渗氮对2Cr13不锈钢冲蚀磨损和冲刷腐蚀行为的影响规律,通过组织结构分析、硬度测试和电化学交流阻抗分析探讨了低温渗氮改善2Cr13不锈钢抗冲蚀磨损和抗冲刷腐蚀性能的机制。结果表明：低温和常规高温离子渗氮均可提高2Cr13不锈钢在小角度固体颗粒干冲蚀条件下的冲蚀磨损抗力,但是,350℃低温渗氮处理表现出比550℃高温离子渗氮层更好的抗冲蚀磨损性能。在含10%石英砂的中性和酸性5%NaCl水溶液中,350℃低温渗氮处理使2Cr13不锈钢冲刷腐蚀速率分别降低96.7%和87.4%;然而,550℃常规离子渗氮却导致2Cr13不锈钢冲刷腐蚀速率分别提高4.13倍和0.49倍。350℃渗氮层由-εFe3N和N过饱和固溶体αN相组成,其化学稳定性好,硬度高,因而表现出良好的耐腐蚀、抗冲刷磨损与抗冲刷腐蚀性能。550℃渗氮处理时,αN相分解成了α相和CrN化合物,造成基材贫Cr,耐腐蚀性能下降,同时表面硬度低于350℃低温渗氮层,其抗冲蚀磨损性能不及350℃低温渗氮处理,冲刷腐蚀抗力则低于2Cr13不锈钢基材。     

热暴露对TA19钛合金锻件拉伸性能的影响

分别测试了固溶时效处理TA19钛合金锻件经400℃和500℃热暴露100h后的室温和高温拉伸性能,研究了热暴露对其拉伸性能的影响。结果表明:TA19钛合金锻件经400℃和500℃热暴露100h后,其表面形成的脆化层对合金强度影响不大,合金没有产生热暴露效应,表明TA19钛合金的热暴露效应起始温度大于500℃。     

医用锻造CoCrMo合金高压直流等离子氮化性能研究

采用高压直流等离子体氮化技术,对医用锻造钴铬钼合金进行表面氮化处理,考察了氮化温度对钴铬钼合金摩擦性能及润湿性能的影响。运用X射线衍射仪分析氮化层物相组成,显微硬度计和光学动/静态接触角仪测试合金表面显微硬度及接触角数值;利用球-盘摩擦实验在干摩擦条件下对氮化层的摩擦磨损性能进行测试。实验结果表明:医用锻造钴铬钼合金经高压直流等离子体氮化处理后,形成硬质化合物CrN和Cr2N,氮化层厚度4.5~9.5μm,合金显微硬度随氮化温度升高而增加,最高可达788HV。与未处理合金试样相比,氮化合金的亲水性及耐磨损性得到明显改善,氮化温度为800℃时磨损率最低,磨痕宽度最窄,耐磨损性能最佳。     

钛基体上氧化铝膜层的耐高温和耐腐蚀性能研究

钛材高温氧化严重,为了提高其使用性能,采用溶胶-凝胶法在钛合金材料表面制备了耐腐蚀性能优良的三氧化二铝膜层.通过700 ℃下氧化增重的测量、扫描电镜对涂层高温氧化前后表面形貌的观察以及其在3.5%NaCl溶液中的阳极极化曲线测量表明,带涂层的试样在700 ℃、20 h的增重仅有0.028 0 mg/cm2,无涂层的试样增重为1.005 2 mg/cm2;带涂层的试样ΔE=1 203.5 mV,裸露钛合金试样的ΔE=154.6 mV.在钛合金材料表面制备的氧化铝溶胶-凝胶膜层具有提高钛合金材料表面抗高温氧化和耐腐蚀性能的特点.     

液体渗氮工艺对CrNiMo钢渗层厚度和硬度的影响

为了探讨无毒液体渗氮工艺对CrNiMo钢渗层的效果,采用正交试验方法研究了氮化温度、氮化时间和尿素添加量对CrNiMo钢液体渗氮层的脆性、渗层厚度和硬度的影响.结果表明,尿素添加量是影响渗层脆性和硬度的主要因素,氮化时间是影响渗层厚度的主要因素,氮化温度对渗层厚度和硬度的影响较小.最优渗氮工艺为570℃,氮化时间5 h,尿素添加量为50 g/h,此时渗层厚度为0.235mm,最高硬度为920HV,脆性级别为1级.     

工业纯铁等离子体注入与氮化工艺及其性能研究

采用低电压高频率脉冲等离子体浸没离子注入与氮化技术在工业纯铁上进行氮离子注入及氮化强化处理,研究了不同脉冲宽度下,工业纯铁等离子体浸没离子注入与氮化处理的结构及性能.通过X射线衍射谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度、销-盘磨损实验,研究了工业纯铁氮离子注入及氮化后的结构、断面组织、表面元素含量、显微硬度、摩擦磨损性能;通过电化学极化方法在0.9%NaCl溶液研究了改性层的耐腐蚀性.研究结果表明:氮等离子注入及氮化后能显著提高纯铁表面的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性能,且表面形成结构为Fe3N和Fe4N的针状组织,针状组织是提高纯铁性能的关键因素;高脉冲宽度下进行等离子注入及氮化有利于提高纯铁表面的机械性能和耐腐蚀性能.     

热处理对激光熔覆钛基复合涂层组织和微动磨损性能的影响

为研究不同温度热处理对激光熔覆钛基复合涂层组织和微动磨损性能的影响,采用激光熔覆技术在TA2钛合金表面制备40%Ti-25.2%TiC-34.8%WS_2(质量分数)复合涂层,将涂层分别置于300,500℃和700℃真空中保温1h,分析热处理前后涂层的显微组织和微动磨损耐磨性能。结果表明:未经过热处理涂层及经过不同温度热处理涂层的主要物相均为α-Ti,(Ti,W)C_(1-x),TiC,Ti_2SC和TiS。未热处理及经过300,500℃和700℃热处理1h涂层的显微硬度分别为1049.8,980.7,1143.3HV_(0.5)和1190.7HV_(0.5)。经过700℃热处理1h涂层表现出优异的微动磨损性能,磨损机理为黏着磨损和磨粒磨损。     

ZK61S镁合金微弧氧化膜层的结构及耐腐蚀性能

为了提高ZK61S镁合金的耐腐蚀性能,采用微弧氧化方法以不同电压(300,380,450 V)在ZK61S镁合金表面制备氧化膜并进行封孔处理。利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪分析膜层的形貌、结构和组成;通过腐蚀电位试验、中性盐雾腐蚀试验及抗剥落腐蚀试验进行耐腐蚀性能考核。结果表明:微弧氧化呈现疏松多孔形态且均匀覆盖于基材表面,主要由Mg、MgO和Al_2Si_2O_5(OH)4相组成;微弧氧化处理后试样的腐蚀电位显著提升,且380 V所得微弧氧化试板的腐蚀电位达到-881.53 m V,经过408 h的中性盐雾腐蚀试验后的腐蚀速率为0.012g/(m~2·h),耐蚀性能比未进行表面处理的基材提高了88倍;经封孔处理的微弧氧化试板经过456 h的中性盐雾腐蚀试验后腐蚀速率降低到0.003 g/(m~2·h);封孔处理使微弧氧化膜的抗剥落腐蚀性能由微弧氧化后的EB级提升到EA级。     

纯钛离子氮化层在人工唾液中的耐蚀性

用浸泡法和电化学法研究了纯钛(TA2)基体材料及其离子氮化层在人工唾液中的腐蚀行为.浸泡法研究表明,试样随着浸泡时间的延长而增重,而离子氮化层增重明显减缓,其腐蚀速率远小于TA2基材;电化学法研究表明,离子氮化层的自腐蚀电位较TA2基材提高,而腐蚀电流密度和腐蚀速度减小.由失重法和电化学法得出一致结论,离子氮化处理提高了TA2在人工唾液中的耐蚀性.     

石墨对TA7钛合金微弧氧化涂层组织结构及摩擦磨损行为的影响

为提高TA7钛合金耐磨损关键服役性能,在钛合金表面制备微弧氧化陶瓷涂层。通过厚度、粗糙度、显微硬度测量、X射线衍射、场发射扫描电镜观察、能谱分析、摩擦学性能检测等手段研究了石墨对微弧氧化涂层组织结构及摩擦学行为的影响机制。结果表明:基础电解液中加入石墨颗粒能够显著提高TA7钛合金微弧氧化涂层的厚度,降低微弧氧化涂层的表面粗糙度和显微硬度,且随着石墨浓度的升高,微弧氧化涂层的厚度增大,表面粗糙度和显微硬度减小;微弧氧化涂层降低了TA7钛合金的摩擦系数,显著改善了合金的耐磨性能;石墨颗粒的加入进一步降低了微弧氧化涂层的摩擦系数,当石墨浓度为3 g/L时,涂层摩擦系数保持在0.15以下,表现出良好的减摩特性。     

氮氩混合比对TA2真空氮化层结构与性能的影响

采用间歇式真空氮化技术对TA2钛合金进行渗氮处理。探究氮氩混合比对合金氮化层结构和性能的影响规律。结果表明:表面渗氮层主要由TiN和TiN0.3相组成,氮氩比越低其有效硬化层越厚,但会降低有效活性N原子的相对含量,不利于渗层的致密性。适当的氮氩混合比能在TA2表面形成氮化物,N原子有效地向纵深扩散,氮化物层与扩散层结合紧密,过渡良好,硬度梯度平缓;腐蚀电位随着氮氩比的增加呈现逐渐上升趋势,从氮氩比为1∶5时的-0.622V提升到氮氩比为5∶1时的-0.549V,腐蚀电流和腐蚀速率则呈现出逐渐降低的趋势。     

脉冲偏压对低温氮化不锈钢表面结构及摩擦学性能的影响

采用低温等离子体辅助氮化奥氏体不锈钢316L,能够在不破坏其抗腐蚀性能的同时有效提高不锈钢表面的摩擦学性能,研究了不同脉冲偏压下氮化层的结构和摩擦学性能(硬度、摩擦系数和耐磨性)。采用X射线衍射仪研究了脉冲偏压对氮化层相结构的影响;采用光学显微镜和扫描电镜分别观察了氮化层表面和横截面的形貌,并利用能量色散谱测量了氮化层中氮含量及其分布;基于纳米压痕和摩擦磨损结果,研究了脉冲偏压对氮化层摩擦学性能的影响。结果表明:低温氮化后,不锈钢表面形成一层无氮化物析出的单一过饱和固溶体相——扩展奥氏体γN,晶格常数随偏压的增加由0.359增至0.395nm。当脉冲偏压为-300 V时,氮化层厚度达9.45μm,表面硬度达21.0 GPa,摩擦系数降低至0.09,耐磨性能获得显著提高。     

钛合金镀镍在航空航天工业中应用的可行性研究

研究了钛合金Ti6Al4V经过镀镍处理后作为航空航天材料的可行性。当钛合金经去油、活化等预处理后电镀镍,性能发生较大改变,比较了钛合金镀镍前后表面力学性能和摩擦学性能的变化,并将镀镍层摩擦学性能与氮化钢的摩擦学性能进行比较。研究表明,镀镍层与钛合金基体的结合强度达到了232 MPa,有足够高的结合力抵抗外界冲击,符合作为航空航天材料的要求;镀镍层的表面硬度达到527 Hv0.1,提高了钛合金表面的抗咬合、抗划伤能力,可以提高材料抗划伤切割的性能;在相同的干摩擦条件下,镀镍层磨损量仅为钛合金基体磨损量的1/47;而在水润滑条件下,镀镍层的磨损量则为钛合金基体磨损量的1/42,镀镍可以大大提高基体的抗滑动磨损性能;镀镍层和钛合金的抗磨粒磨损测试结果表明:在相同的试验条件下,镀镍层的磨损量为5.4mg/kr,钛合金的磨损量为28.9mg/kr,远大于镀镍层的磨粒磨损量,镀镍后钛合金抗磨粒磨损的性能得到极大提高。总之,钛合金施镀镍层不但具有良好的结合力,而且能极大提高钛合金的表面性能,与钛合金本身固有的高比强度和优良的耐蚀性相结合,将促进钛合金在航空航天工业中发挥重要作用。