激光气体渗氮工艺对TC4钛合金表面性能的影响

钛合金属于粘性材料,易发生粘着磨损,为提高钛合金件作为摩擦副使用时的寿命,需提高钛合金表面硬度及耐磨性。利用连续激光器在TC4合金表面进行激光气体渗氮,生成金黄色的氮化层。用SEM、EDS、XRD分析试样渗氮层的微观组织、元素分布以及物质组成。结果表明,经激光气体渗氮后在TC4表面生成了以Ti N为增强相的改性层,并且在未渗氮区有黑色粉末状Ti N生成。表层由氮化层、热影响区及母材组成。渗氮层与基材发生冶金结合,结合强度高,不易剥落。随着激光功率的提升,渗氮层厚度及硬度都有所增加。当功率为1 200 W时,钛合金表面渗氮层最高硬度超过1 800 HV0.3,渗氮层厚度也最大。在氮气流量为10 L/min时整个渗氮层中氮元素的含量相对较高。经过激光气体表面渗氮后渗氮层的摩擦系数较基体材料摩擦系数有明显降低,耐磨性更好。     

TC4激光气体渗氮层及其耐腐蚀性能

采用激光气体渗氮工艺可以在TC4钛合金表面生成一层高硬度、高耐磨性的氮化层。主要分析了激光气体渗氮后试样表面宏观状态的变化、渗氮层组织以及渗氮层耐腐蚀性能的变化。通过激光气体渗氮处理后,试样表面粗糙度增加;渗氮层自腐蚀电位相对于TC4钛合金的自腐蚀电位正移了0. 042 4 V,表面耐腐蚀性能增强。     

半导体激光热输入对渗氮层结构和性能的影响

目的 提高Ti-6Al-4V钛合金的表面硬度和耐磨性,解决失效问题。方法 利用半导体激光器在纯氮气氛下对Ti-6Al-4V钛合金表面进行激光渗氮处理,研究激光功率和扫描速度耦合作用下不同热输入对渗氮层质量的影响。分别采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线能谱仪,对渗氮层的物相组成、截面微观组织以及元素分布进行表征,采用显微维氏硬度仪测量渗氮层截面硬度分布。结果 不同热输入下Ti-6Al-4V钛合金氮化区域均生成TiN相,且含量随热输入的增大而增加,渗氮层厚度随热输入的增大呈近似直线增长。渗氮层组织由表及里依次由连续的TiN薄层、柱状晶、树枝晶和针状晶组成,使渗氮层内硬度随层厚的增加呈下降趋势,随热输入的增大,树枝晶中粗枝晶的数量增加,渗氮层硬度也随之增加。然而当热输入较高（320 J/mm）时,渗氮层内产生大量的裂纹。结论 利用激光气体氮化技术,控制热输入为210~275 J/mm时,在Ti-6Al-4V钛合金表面制备渗氮层,其表面成形良好、无裂纹,厚度约为413~517 μm,近表层硬度较基材提高2.5倍以上。     

不同压力对 TC4 钛合金真空脉冲渗氮的影响

目的采用不同压力对TC4钛合金进行真空脉冲渗氮处理,提高其表面硬度及耐磨性。方法通过金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计及耐磨试验机分析渗氮硬化层的组织与性能。结果 TC4钛合金经过真空气体渗氮处理后,形成了由Ti N,Ti2Al N和钛铝金属间化合物Ti3Al组成的复合改性层。渗氮压力太低,表面氮化物数量较少,氮化物层较薄;随渗氮压力的增大,表面氮化物数量增多,表面硬度及耐磨性增加。压力为0.015 MPa时,氮化物层表面硬度最大,表面硬度为1100~1200HV,有效硬化层深度为50~60μm。渗氮压力继续增加,表层组织变得疏松,表面硬度及耐磨性开始降低。结论选择合适的渗氮压力和表面氮浓度进行真空脉冲渗氮,可以提高钛合金表面硬度,改善耐磨性。     

钛合金炮口制退器过早失效模拟分析及强化工艺研究

针对钛合金炮口制退器表面过早的冲刷烧蚀问题,文中对TC4钛合金和炮钢制退器进行了射击温升模拟计算分析,经火药气体冲刷后钛合金制退器最高点达913℃,高强钢制退器最高点温度为609℃,局部温升过高导致材料强度降低是钛合金制退器过早失效的重要原因。对TC4钛合金表面进行激光熔覆Ti2AlNb, TiAl,及TC4表面激光渗氮3种方法表面增强研究,结果显示：TC4表面激光熔覆Ti2AlNb的增强方法,硬度高,耐磨性最好。     

TC4钛合金的双辉等离子渗氮

钛合金具有比强度高、耐蚀性和耐热性好等优点,但耐疲劳性能、耐磨性较差,使其应用受到限制.为了改善钛合金的表面性能,对TC4钛合金进行了双辉等离子渗氮,并研究了渗氮气氛中氩气与氮气的流量比对渗氮层硬度、相结构、弹性模量和摩擦磨损性能等的影响.双辉等离子渗氮的工艺参数:氩气与氮气的流量比为1∶ 1、1∶2和1∶ 3,极间距...     

TC4钛合金间歇式真空渗氮工艺研究

为了改善TC4钛合金的表面硬度,在氮气为正压和负压条件下对其进行间歇式真空渗氮处理。通过X射线衍射、自动维氏硬度测试和电化学极化曲线分析了不同压力下渗氮层的相结构、组织、显微硬度和耐蚀性。结果表明,TC4钛合金经真空渗氮处理后,表层均可获得由TiN_(0.3)、TiN、Ti_3AlN和Al_3Ti等相组成的改性层。在负压下,表层中氮化物数量较少,但渗层较厚,硬度梯度平缓。在正压时,表层氮化物数量增多,渗层厚度及硬度却降低。氮化后的TC4钛合金耐蚀性提高。     

TC4钛合金的离子渗氮工艺

对TC4钛合金进行一系列离子渗氮试验,研究了离子渗氮温度、时间对渗层组织结构、显微硬度及表面残余应力的影响。结果表明:TC4钛合金经离子渗氮后表面硬度均可提高至基体的2~4倍,且表面为残余压应力状态。当渗氮温度800℃或渗氮时间8 h时,表面形成氮化物数量较少,光镜下只能观察到扩散层,随着渗氮温度的升高,渗氮时间的延长,表面由Ti N+Ti2N组成的化合物层厚度增加,致密性增强,硬度也随之增加。TC4钛合金经850℃×16 h离子渗氮后表面硬度可达到900 HV0.1左右,渗氮层由致密的化合物层+扩散层组成。随着渗氮温度继续增加,渗氮时间继续延长,表层氮化物聚集长大,渗氮层开始变得疏松。     

钛合金离子渗氮后的组织及耐磨性能

对TC4及TA7钛合金分别在900℃进行离子渗氮工艺试验,借助于SEM、XRD等分析了渗层组织,测量了渗氮层显微硬度及渗氮深度,测试了渗氮层的耐磨性能。结果表明,钛合金离子渗氮可形成化合物层+扩散层的典型渗氮层,总渗氮深度可达100μm以上,渗氮层表面硬度达1200 HV0.1以上。TC4钛合金850℃渗氮16 h后,耐磨性能与基体相比显著提高。     

TC4钛合金负压真空脉冲渗氮层的组织与性能

在氮气为负压及不同温度条件下(750、800、850和900℃)对TC4钛合金进行真空脉冲渗氮处理,采用X射线衍射,自动显微硬度测试、滑动干摩擦及电化学极化试验等手段分析了渗氮硬化层的组织与性能。结果表明:TC4钛合金渗氮处理后表面形成了一层由TiN_(0.3)、TiN、Ti_2N和AlTi_2N组成的多相化合物层;其表面硬度、渗层深度及耐磨性均随渗氮温度升高而提高。其中,850℃渗氮后合金有效硬化层深度约为30μm,硬度梯度平缓,其磨损量比原样下降1个数量级,综合性能最优。真空渗氮后合金耐蚀性均能得到大幅度改善。     

TC4钛合金不同气源激光渗氮行为

在用矩形光斑高功率半导体激光器,在纯氮气和氮氩混合两种不同方式下,通过不同气流量和氮氩混合对Ti-6Al-4V进行表面渗氮,研究气体流量、氮氩混气比对渗氮熔池形态及渗氮组织和力学性能的影响。采用SEM、EDS以及XRD对渗氮层的显微组织、微区成分及相组成进行研究。结果表明:采用纯氮渗氮时,在15 L/min气流量下获得均匀渗氮层,继续增大气流量渗氮熔池流动紊乱,出现贯穿裂纹,且渗氮深度和硬度并未随气流量增加;采用不同氮氩混气比渗氮时,渗氮层的表层硬度均较相同条件下纯氮气渗氮层的有所降低,且渗氮层裂纹倾向减弱,渗氮层组织由表至里在200~800μm内按层深依次存在TiN0.88、TiN0.61、TiN0.3三种稳定相;分别采用纯氮气和不同氮氩混气比渗氮时,渗氮层组织沿层深分布依次均为粗短树枝晶、等轴晶、细长树枝晶、针状晶。     

Investigation of nitrogen mass transfer within an industrial plasma nitriding system II: Application of a biased screen

Active screen plasma nitriding (ASPN) was conceived in order to reduce negative effects observed in direct current plasma nitriding arising from the application of bias to the components. The mechanism of nitrogen mass transfer in ASPN is still not fully understood. Here, we compare the microstructure, composition and hardness response of AISI P20 and H13 steels after nitriding. A set of samples was nitrided with sample bias applied directly and another set was nitrided at floating potential under an active screen. Similar nitrogen content and hardness profiles were obtained for the samples treated using a bias and under an active screen separated from the samples by 12 mm. When the sample-screen separation was increased from 12 to 70 mm the hardness response improved. The principle processes occurring during ASPN are proposed based on the experimental results. In ASPN, a flux of energetic nitrogen species is generated by the active screen which, provided that the samples are within the range of the energetic species, bombards the surface of the samples being treated. This flux is critical in establishing a nitrogen potential and a satisfactory response in the components.     

等离子体渗氮气压对合金钢渗氮层微观结构和性能的影响

目的 选择M50NiL钢（高合金钢）和AISI 4140钢（低合金钢）2种合金钢,研究渗氮气压对合金钢等离子体渗氮层组织结构、渗层厚度、硬度、韧性和摩擦磨损性能的影响规律。方法 根据离子渗氮GB/T30883—2017,在0～500 Pa渗氮气压范围内选择170、250、350 Pa 3个渗氮气压进行等离子体渗氮,研究渗层微观结构和性能。结果 对于M50NiL和AISI 4140两种合金钢,350 Pa时渗层厚度均最大,170 Pa次之,250 Pa厚度最小。M50NiL钢在350 Pa渗氮和AISI 4140钢在170 Pa渗氮时,表面层具有最优的强韧性。摩擦磨损性能显示,170 Pa和350 Pa气压渗氮的摩擦磨损性能明显优于250 Pa气压渗氮,其中磨损率规律与渗氮层的韧性值测试结果吻合。结论 气压影响了氮离子的能量和分布,从而影响了渗层厚度,钢中的合金元素含量和气压共同影响表面强韧化效果,并且表面强韧化效果直接影响渗氮层的摩擦磨损性能。     

QPQ技术中渗氮时间对合金铸铁组织及摩擦性能的影响

采用OM、SEM、硬度测试、摩擦磨损试验等方法研究了QPQ技术中渗氮时间对合金铸铁组织与摩擦性能的影响。结果表明,QPQ处理后,合金铸铁表面形成的渗层物相主要由Fe_2-3N、Fe₂O₃和FeO组成。渗层厚度的平方与渗氮时间存在线性关系,在580 ℃渗氮盐浴条件下,氮元素在合金铸铁中的扩散激活能为70.07 kJ/mol。在90~150 min渗氮时间内,随着渗氮时间延长,渗层的表面硬度值由522 HV0.05降低至441 HV0.05,当渗氮时间延长至180 min,表面硬度值回升至455 HV0.05。与未处理试样相比,QPQ处理的试样具有更小的摩擦因数,并且QPQ处理后试样表面的犁沟显著变浅,表面的金属剥落也得到明显改善,且随着渗氮时间的增加,渗层厚度增加且稳定材料。经180 min渗氮处理的QPQ试样具有最优综合性能,表面硬度值为455 HV0.05,摩擦因数为0.32。     

渗氮及表面增碳对3Cr2W8V钢冷热疲劳行为的影响

用板状缺口试样研究了在自约束条件下，表面增碳和渗氮对３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢冷—热疲劳裂纹萌生，扩展及裂纹形态特征的影响，结果表明，表面增碳及渗氮均使钢的热疲劳裂纹萌生及扩展抗力降低，渗氮尤为显著，经渗氮处理的试样在冷—热疲劳试验中除缺口尖端出现主裂纹外，试样表面较早出现大量裂纹，最后形成龟裂；表面增碳的试样在试验中也出现少量表面裂纹，而表面化学成分无变化的试样则未出现表面裂纹。     

17-4PH不锈钢激光气体渗氮层显微组织与摩擦学性能

目的 提高17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢的表面硬度及耐磨性。方法 采用光纤激光器对17-4PH不锈钢进行激光气体氮化,采用不同激光功率在其表面制备渗氮层。利用光学显微镜(OM)、电子扫描显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等设备分析渗氮层的显微组织和相组成;借助显微硬度仪测试渗氮层截面深度方向的硬度;采用多功能摩擦磨损试验机测试基体、渗氮层的摩擦学性能,并通过SEM分析磨痕形貌,揭示基体与渗氮层的磨损机制。结果 在渗氮前样品组织为回火马氏体,经激光渗氮后样品表面形成了由板条马氏体组成的熔化区和回火马氏体组成的热影响区构成的渗氮层。经渗氮后,样品的硬度均得到提高。在激光功率3 000 W下,渗氮层的表面硬度最高,达到了415HV0.2,约是基体硬度的1.2倍,渗氮层的硬度随着深度的增加呈下降趋势,在深度为2.6 mm处其硬度与基体一致。在回火马氏体向板条马氏体转变的相变强化,以及氮原子(以固溶方式进入基体)的固溶强化作用下,提高了渗氮层的硬度。经渗氮后,样品的摩擦因数均高于基体,但渗氮后其磨损量相较于基体有所减少,在激光功率3 000 W下,其磨损体积最小,相较于基体减少了62%。在激光功率2 500 W下马氏体转变不完全,在激光功率3 500 W下渗氮层出现了裂纹,都降低了渗氮层的硬度,其耐磨性也随之减小,且都略低于在3 000 W下。磨损机制由渗氮前的以黏着磨损为主,转变为渗氮后的以磨粒磨损为主。结论 在17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢表面进行激光渗氮后,其表面硬度和耐磨性均得到提高,在激光功率3 000 W下制备的渗氮层具有较高的表面硬度和优异的耐磨性。     

阴极电压和供氮方式对纯氮离子渗氮的影响

分别研究了在500、600、650和700 V阴极电压条件下采用连续供气抽真空和间歇供氮闭炉的方式进行纯氮离子渗氮的工艺及机理.通过对间歇供氮闭炉离子渗氮层显微组织、相组成和硬度梯度的测定与分析,计算和验证了该工艺中N2分子临界离解能.结果表明,纯氮离子渗氮的活性氮原子来自于经阴极位降区加速的高能N 2与中性N2分子间的非弹性碰撞,离解N2分子的N 2离子临界能为48.64 eV,相应的阴极电压门槛值为650 V.纯氮离子渗氮工艺除要求阴极电压高于650 V外,间歇供气闭炉渗氮也是必备条件,在一定温度和足够高的阴极电压下,只有采用间歇供氮闭炉方式进行离子渗氮,从N2分子才能离解出足够多的活性氮原子,使试样表面产生明显的渗氮效果.     

A4双相不锈钢离子渗氮工艺研究

研究了A4双相不锈钢的离子渗氮工艺.结果显示,渗氮温度和气氛氮势(即氮与氢之比)对渗氮层的深度有影响,而对硬度无明显影响.当渗氮温度为580℃,N2:H2=1:9时,渗氮层表面硬度可达1200～1300HV0.3,渗氮层深度为0.10 mm.     

17-4PH不锈钢离子渗氮工艺研究

研究了17-4PH马氏体沉淀硬化型不锈钢的离子渗氮工艺。结果表明,当离子渗氮温度为500℃,N2:H2=1:3时,17-4PH马氏体不锈钢的渗层表面硬度可达1324 HV0.1,渗氮层深度为0.12mm,基体硬度达到38.3 HRC。     

Surface nanocrystallization by surface mechanical attrition treatment and its effect on structure and properties of plasma nitrided AISI 321 stainless steel

A plastic deformation surface layer with nanocrystalline grains was produced on AISI 321 austenitic stainless steel by means of surface mechanical attrition treatment (SMAT). Low-temperature nitriding of SMAT and un-SMAT AISI 321 stainless steel was carried out in pulsed-DC glow discharge. The effect of SMAT pretreatment on the microstructure and properties of the stainless steel were investigated using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Vickers hardness tester and UMT-2MT tribometer. The results show that the plasma nitriding of AISI 321 steel can be enhanced considerably by means of SMAT process before nitriding, and a much thicker nitrogen diffusion layer with higher hardness was obtained for the SMAT samples when compared with un-SMAT samples. In addition, the wear resistance and load capacity of the nitrided layers on the SMAT samples was much higher than that of the un-SMAT samples due to the thicker S phase case and the gradient nitrogen diffusion layer.