钛合金Ti6Al4V表面Mo-N改性层的摩擦性能研究

采用钼-氮离子共渗与离子渗钼后再氮化2种工艺,在钛合金Ti6Al4V表面形成均匀致密的钼氮合金渗层.实验结果表明,2种工艺形成的表面合金层表面硬度都有大幅度提高,其中渗钼后氮化的硬度Hk0.1为16 810 MPa,钼-氮共渗Hk0.1为18 040 MPa.渗钼后氮化合金层主要为MoN相,而钼-氮共渗合金层主要为Mo2N相. 干摩擦条件下,球盘磨损试验表明,渗钼后氮化工艺更好地改进了钛合金Ti6Al4V耐磨性,降低比磨损率3个数量级.     

钛合金Ti6Al4V表面渗钼层的摩擦磨损性能

利用双层辉光离子渗金属技术在钛合金Ti6Al4V表面进行合金化，形成均匀、致密、厚度为9．4μm的钛钼合金渗层。表面硬度提高3倍左右，达到1050Hκ。采用球盘磨损试验机考察了钛合金Ti6Al4V表面渗钼层和Ti6Al4V钛合金的摩擦性能，得出该合金表面渗Mo后虽然摩擦因数略微增大，但耐磨性提高100余倍；通过对磨损形貌的分析可知，表面渗Mo合金层磨损机制主要表现为粘着及少量微切削。     

Ti6Al4V合金干滑动磨损过程中摩擦层及摩擦氧化物的作用

目的分析Ti6Al4V合金在不同滑动速度下的干滑动磨损行为及磨损特征,研究钛合金的磨损机理,并探讨干滑动磨损过程中摩擦层及摩擦氧化物的作用。方法采用销盘式摩擦磨损试验机,对Ti6Al4V合金在不同滑动速度下进行干滑动磨损实验。采用磨损率和摩擦系数表征钛合金的磨损行为,采用SEM、EDS及XRD分析磨损表面及摩擦层的形貌及成分,采用数字显微硬度仪表征摩擦层的力学性能。结果滑动速度在0.5～4 m/s范围内变化,Ti6Al4V合金的磨损率发生显著变化,尤其是在高载条件下。0.5～1.5 m/s速度范围内,磨损率较低,2.68m/s速度下,磨损率达到最高值,4m/s速度下,磨损率达到最低值。0.75m/s速度下,粘着磨损和磨粒磨损为主要磨损机理,氧化磨损为次要磨损机理;2.68 m/s和4 m/s速度下的磨损机理分别为剥层磨损和氧化轻微磨损。2.68m/s速度下的高磨损率与硬度较低的无氧化物摩擦层对应,而4 m/s速度下的低磨损率与高硬度的多氧化物摩擦层对应。结论试验条件改变,Ti6Al4V合金的磨损行为及磨损机理发生变化。不同试验条件下的磨损行为与不同的摩擦层特征相对应,当摩擦层中包含一定量的摩擦氧化物时,这种陶瓷性的摩擦层具有比基体更高的硬度,能有效保护基体,降低磨损率。     

Ti6Al4V钛合金表面Zr-N合金化层的抗高温摩擦磨损性能

为了改善钛合金的高温耐磨性能,采用锆-氮离子共渗与异步渗(渗锆后再氮化处理)两种工艺技术分别在Ti6Al4V钛合金表面制备致密的锆-氮合金化改性层,对比研究了合金化层的组织结构特征和高温摩擦磨损性能。结果表明,两种工艺制备的Zr-N合金层表面均由ZrN相组成,异步渗改性层的内层则包含较厚的Zr-Ti固溶体,两种等离子表面合金化层均使钛合金表面硬度显著提高。同样温度和处理时间条件下,异步渗合金化层的厚度约为锆-氮共渗合金化层厚度的6倍,且氮化物层也较厚,原因归于前者处理过程中Zr与Ti之间良好固溶特性的充分发挥及ZrN相的扩散障作用的有效抑制。300℃高温下球盘摩擦磨损试验结果表明,由于锆-氮共渗合金化层深度较小,因而改善钛合金基材耐磨性能的效果相对较低。锆-氮异步渗处理则使Ti6Al4V钛合金耐磨性能显著提高,摩擦因数降低50%以上,比磨损率降低2个数量级,原因归于该类合金化层高的表面硬度、大的层深、良好的高温抗氧化性能及优异表面承载能力的有机匹配。     

Ti6Al4V钛合金表面Zr-N合金化层的抗高温摩擦磨损性能

为了改善钛合金的高温耐磨性能,采用锆-氮离子共渗与异步渗(渗锆后再氮化处理)两种工艺技术分别在Ti6A14V钛合金表面制备致密的锆-氮合金化改性层,对比研究了合金化层的组织结构特征和高温摩擦磨损性能.结果表明,两种工艺制各的Zr-N合金层表面均由ZrN相组成,异步渗改性层的内层则包含较厚的Zr-Ti固溶体,两种等离子表面合金化层均使钛合金表面硬度显著提高.同样温度和处理时间条件下,异步渗合金化层的厚度约为锆-氮共渗合金化层厚度的6倍,且氮化物层也较厚,原因归于前者处理过程中Zr与Ti之间良好固溶特性的充分发挥及ZrN相的扩散障作用的有效抑制.300℃高温下球盘摩擦磨损试验结果表明,由于锆-氮共渗合金化层深度较小,因而改善钛合金基材耐磨性能的效果相对较低.锆-氮异步渗处理则使Ti6A14V钛合金耐磨性能显著提高,摩擦因数降低50％以上,比磨损率降低2个数量级,原因归于该类合金化层高的表面硬度、大的层深、良好的高温抗氧化性能及优异表面承载能力的有机匹配.     

钛合金双层辉光离子无氢碳氮共渗摩擦性能研究

利用双层辉光离子渗金属原理改善钛合金Ti6Al4V的耐摩擦性。使用蜂窝状高纯度固体石墨作为源极，钛合金Ti6Al4V做阴极，一定比例的氩气、氮气作为载气。依靠辉光放电空心阴极效应，溅射出原子、离子状的碳元素，碳、氮元素混合形成等离子体，靠阴极负偏压把碳、氮吸引到Ti6Al4V的表面，依靠轰击和扩散在Ti6Al4V材料表面形成具有特殊物理、化学性能的合金层。X射线衍射检测显示渗层内形成了包含TiC，TiN的硬度相；辉光放电光谱（GDS）检测结果显示，在渗层内碳、氮元素分们呈梯度形式；硬度测试显示渗层硬度由表及里呈现梯度下降，表面硬度提高两倍以上；摩擦磨损检测表明Ti6Al4V材料经无氢碳氮共渗处理后，其粘着现象明显降低，摩擦系数降低一半多，耐磨性大大提高。     

低温氧化表面改性对Ti6Al4V合金抗磨损性能的影响

采用600℃低温氧化处理对Ti6Al4V合金进行了表面改性,利用OM、AFM、XRD、显微硬度仪和磨损试验机等表征与考察氧化表面基本特性及磨损性能.结果表明:低温氧化处理使Ti6Al4v表面形成了金红石型TiO2氧化层,表面颜色、形貌、粗糙度和组织发生了变化,并有效地提高了表面硬度.在Ti6Al4V/Cr12MoV摩擦体系中,低温氧化处理的钛合金磨损量仅为未处理的1.52%,但氧化100h时,磨损量略有增加;在Ti6Al4V/UHMWPE摩擦体系中,低温氧化处理不仅提高了Ti6Al4V自身的磨损性能,而且也间接地改善了UHMWPE的磨损性能.     

基体温度对Ti6Al4V表面渗Mo合金层性能的影响

利用双层辉光离子渗金属技术在Ti6A14V表面渗Mo，形成了表面改性合金层，就910—990℃渗Mo时基体温度对表面合金层性能的影响进行了研究。结果表明，渗Mo后的表面合金层由扩散层和沉积层组成，沉积层呈(211)晶面的择优取向。随着基体温度的升高，扩散层的厚度增加，并且合金层表面粗糙度增大。渗Mo后的表面合金层硬度较基体Ti6A14V的大大提高，而基体温度变化对合金层硬度没有明显影响。用涂层压入仪对沉积层和扩散层间的结合强度进行了评定。研究表明，随着基体温度的升高，临界压入载荷Pc增大，沉积层和扩散层间的结合强度增大。     

离子硫氮碳共渗层摩擦磨损后的组织形貌

观察了35CrMo、30CrMnSi和20钢离子硫氮碳共渗层摩擦磨损后的光镜和扫捕电镜组织和磨屑磨痕形貌,并与离子氮化层作了对比。观察结果表明:离子硫氮碳共渗层摩擦磨损时主要磨损形式随工况变化。当粘着磨损占主导地位时,离子硫氮碳共渗层显示出优良的减摩抗磨特性。     

Ti—6Al—4V合金微动磨损的表面防护

分析对比了Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金经喷丸后抛光、火焰喷涂Ｃｕ涂层、等离子喷涂锡青铜、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｉｎ和ＷＣ／Ｃｏ－Ｉ涂层、爆炸喷涂ＷＣ／Ｃｏ－Ⅱ、Ｎｉ－６０和化学镀镍磷镀层等处理后，在室温和５００℃下的抗微动磨损性能。结果表明：ＷＣ／Ｃｏ－Ｉ涂层有较好的综合防护效果。     

Ti6Al4V合金渗镀Mo-N表面改性层在不同腐蚀环境下的抗磨损行为研究

采用等离子渗镀技术在钛合金(Ti6Al4V)表面形成均匀致密的钼氮合金渗镀层.在3.5%NaCl溶液、0.5 mol/L 的H2SO4溶液、0.02 mol/L的Na3P04溶液和亨氏溶液中,对比研究了Ti6Al4V合金及其钼氮改性层的抗腐蚀磨损性能.20 000周次腐蚀环境下的微动磨损试验结果表明,渗镀的Mo-N改性层显著提高了Ti6Al4V合金的抗腐蚀磨损能力.电化学噪音测量结果证明,Mo-N改性层削弱了Ti6Al4V合金腐蚀和磨损相互耦合增幅的作用.     

钛合金双层辉光离子无碳氮共渗摩擦性能研究

利用双层辉光离子渗金属原理改善钛合金Ti6Al4V的耐摩擦性.使用蜂窝状高纯度固体石墨作为源极,钛合金Ti6Al4V做阴极,一定比例的氩气、氮气作为载气.依靠辉光放电空心阴极效应,溅射出原子、离子状的碳元素,碳、氮元素混合形成等离子体,靠阴极负偏压把碳、氮吸引到Ti6Al4V的表面,依靠轰击和扩散在Ti6Al4V材料表面形成具有特殊物理、化学性能的合金层.X射线衍射检测显示渗层内形成了包含TiC,TiN的硬度相;辉光放电光谱(GDS)检测结果显示,在渗层内碳、氮元素分布呈梯度形式;硬度测试显示渗层硬度由表及里呈现梯度下降,表面硬度提高两倍以上;摩擦磨损检测表明Ti6Al4V材料经无氢碳氮共渗处理后,其粘着现象明显降低,摩擦系数降低一半多,耐磨性大大提高.     

Ti6Al4V合金表面离子铌合金化及其耐磨性能研究

采用双辉离子渗技术对Ti6Al4V钛合金表面渗Nb,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、磨损试验机、电化学测试系统研究钛合金表面离子渗Nb合金化层的形态、结构、力学性能、摩擦学性能和电化学腐蚀性能,并探讨渗Nb改性处理对钛合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损行为的影响.结果表明,渗Nb工艺参数对合金化层的形态、结构和性能影响显著,高浓度渗Nb合金化改性层表现出良好的强化效果,显著地改善了Ti6Al4V合金的抗大气环境和抗NaCl溶液腐蚀磨损性能.Ti6Al4V合金基材和渗Nb层的耐磨性能在NaCl溶液中优于大气环境,其原因归于溶液的润滑作用和试样的良好耐腐蚀性能.     

氮离子注入的Ti6Al4V表面分析

利用表面分析技术(AES,XPS,SIMS)研究了经氮离子注入的外科植入材料Ti6Al4V表面成分与键合态,用轮廓仪的测量结果计算了氮离子注入深度及注入氮离子的Ti6Al4V的刻蚀速率。考虑到该合金的基体效应,对AES的定量结果进行了修正。结果表明,注入到合金中的氮离子与合金中的Ti形成高硬度的TiN,N的分布近似为Gauss形式,注入总深度约为350nm,在距表面约140nm处氮量最大,N与Ti的浓度比可达1.1。     

Ti-6Al-4V表面等离子合金层中渗Mo的扩散系数

研究采用双层辉光离子渗金属技术在Ti-6Al-4V合金表面制备Mo基改性层的Mo扩散过程。通过观察渗层截面组织形貌,测定各种合金化元素的分布情况,着重分析不同温度下不同元素的加入对Mo扩散行为的影响。结果表明:在800～950℃下,Ti-6Al-4V合金离子渗Mo后所得改性层厚度、Mo平均扩散系数及相同浓度下Mo的扩散系数都随温度升高而升高;由于反溅射和Ti-6Al-4V基体相变等原因,1000℃时各参数反常;加入合金元素W和N使Mo的扩散系数有所降低,Mo的平均扩散系数在单纯渗Mo时为2.37688×10-4,W-Mo共渗时为1.47127×10-4,W-Mo-N共渗时为7.02681×10-5。     

Ti6Al4V合金表面离子注入N+C,Ti+N和Ti+C性能研究

采用等离子体基离子注入的方法在Ti6Al4V合金表面分别注入N+C、Ti+N和Ti+C元素,注入剂量均为2×1017 ions/cm2,N+C和Ti+N元素的注入负脉冲偏压为-50 kV,Ti+C元素的注入电压分别为-20 kV、-35 kV和-50 kV。通过X射线光电子能谱仪（XPS）和X射线衍射仪（XRD）对注入层进行了微观结构分析,结果表明：Ti+C注入层中存在TiC和Ti-O,Ti+N注入层中存在TiN和Ti-O键。采用纳米压痕仪和球盘磨损试验机对注入层的硬度和摩擦学性能进行了研究。结果表明：在相同注入电压下,Ti+C注入层的硬度最高,其次是Ti+N注入层,N+C注入层的硬度最低;Ti+C 注入层的硬度随着注入电压的增大而增大,最大硬度为11.2GPa。50kV注入层Ti+C具有最低的比磨损率,其值为6.7×10-5mm3/N.m,比磨损率较未处理Ti6Al4V基体下降了1 个数量级以上,表现出优异的耐磨损性能。     

Ti6Al4V辉光等离子渗铝摩擦磨损性能研究

利用双层辉光等离子渗金属技术在Ti6Al4V上渗铝以提高材料的摩擦磨损性能,对渗铝层的相结构和显微硬度进行了测试.采用球盘滑动磨损试验机对渗层进行摩擦磨损性能测试.结果表明:渗铝后渗层由Al3Ti和Al组成,材料的硬度值较基体Ti6Al4V有了很大的提高;材料摩擦因数和磨损体积减小,耐磨性得到提高.通过磨痕形貌分析可知,渗层磨损机制为粘着磨损.可见采用辉光等离子渗铝技术改善了材料的摩擦磨损性能.     

TiAl合金表面Si-Al-Y共渗层的组织与摩擦磨损性能

通过1050 ℃下Si-Al-Y2O3扩散共渗4 h的方法在TiAl合金表面制备了Y改性的Si-Al共渗层,采用SEM、EDS和XRD分析共渗层的结构及相组成,并对TiAl合金基体及共渗层的常温(20 ℃)及高温(600 ℃)耐磨性进行研究。结果表明：1050 ℃下共渗4 h所制备的Si-Al-Y共渗层具有多层复合结构,由外向内依次为TiSi2-外层,(Ti,X)5Si4(X表示元素Nb和Cr)及(Ti,X)5Si3中间层,TiAl2和γ-TiAl内层及富Al的过渡层组成;在常温和600 ℃高温条件下,Si-Al-Y共渗层的耐磨性均明显优于TiAl合金基体,并且Si-Al-Y共渗层具有良好的耐高温磨损性能,在实验温度条件下其磨损机理无明显变化,均为剥层磨损和磨粒磨损;TiAl合金基体在常温下的磨损机理为犁削磨损和磨粒磨损,在600 ℃高温下的磨损机理为犁削磨损、氧化磨损和磨粒磨损