加弧輝光滲鋁對TC4鈦合金抗高溫氧化性能的影響

戴景杰*，朱季云，莊蕾，李守英

（青島濱海學(xué)院，山東 青島 266555）

加弧輝光滲鋁對TC4鈦合金抗高溫氧化性能的影響

戴景杰*，朱季云，莊蕾，李守英

（青島濱海學(xué)院，山東 青島 266555）

為提高鈦合金TC4的抗高溫氧化性能，采用加弧輝光離子滲金屬技術(shù)在TC4基體表面滲鋁制備富鋁合金化層，并對合金化試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)、室溫性能及高溫氧化行為進(jìn)行表征。結(jié)果表明，所得合金化層主要由TiAl3相構(gòu)成，厚度均勻，與基體之間呈良好的冶金結(jié)合，顯微硬度約為476 HV，平均摩擦因數(shù)為0.35，綜合性能優(yōu)于TC4基體。合金化層在800 °C下氧化100 h后的主要產(chǎn)物為Al2O3，單位面積增重為TC4基體的1/30，抗高溫氧化能力明顯提高。

鈦合金；加弧輝光滲鋁；合金化；抗高溫氧化性；微觀結(jié)構(gòu)

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗蝕、生物相容性好及中溫性能穩(wěn)定等突出優(yōu)點，在航空航天、化工、海洋、冶金以及日常生活用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但鈦合金在高溫下易氧化的特點限制了其應(yīng)用范圍。一方面，高溫時氧可以通過鈦合金表面的氧化膜向基體擴(kuò)散，使氧化膜增厚，導(dǎo)致氧化膜與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度降低并發(fā)生剝落；另一方面，氧化時氧和氮原子的溶入會引起基體晶格畸變和形成有序相，在合金表面生成脆性層，使合金的力學(xué)性能嚴(yán)重下降[1-3]。

雖然氧化反應(yīng)的發(fā)生會消耗金屬，但若金屬氧化后能夠在表面形成一層致密的氧化膜層，該氧化膜層就可作為障礙層將金屬與外界環(huán)境有效隔離，從而減緩氧化反應(yīng)和減少金屬的消耗。因此，表面能否形成防護(hù)性氧化膜層是所有高溫金屬材料抵抗高溫氧化的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)鈦合金中的鋁含量低于6%，不足以在表面形成連續(xù)致密的Al2O3膜，氧化時主要形成以TiO2為主的多孔氧化膜，因而抗氧化能力很差[4-7]。為此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究，并發(fā)展出了表面合金化技術(shù)。在所有合金化元素中，鋁被認(rèn)為是提高鈦合金抗高溫氧化性最重要且最有效的元素。高溫下，鋁被氧化成Al2O3，而Al2O3高溫穩(wěn)定，其氧化膜致密，與基體結(jié)合牢固。因此在鈦及鈦合金表面形成防護(hù)性的致密Al2O3膜層可有效阻止鈦與氧的擴(kuò)散。

加弧輝光離子滲金屬技術(shù)是在雙層輝光離子滲金屬裝置中引入冷陰極電弧源，利用輝光放電使工件表面凈化和預(yù)升溫，利用真空電弧放電使陰極電弧源不斷地發(fā)射出高能量、高電流密度、高離化率的欲滲金屬離子流，隨著離子轟擊進(jìn)行，在工件表面形成致密、均勻且與基體結(jié)合牢固的滲層或滲鍍層。潘俊德等[8]采用加弧輝光離子滲金屬技術(shù)在碳鋼表面滲鋁，得到了與基體結(jié)合良好、厚度約為120 μm的滲鋁層。劉道新等[9]采用加弧輝光離子滲金屬技術(shù)在鈦合金表面滲鎳鉻，獲得了硬度、耐磨性和耐蝕性均比基體優(yōu)異的合金化層。段良輝[10]利用加弧輝光離子滲鍍技術(shù)在TC4合金表面無氫滲碳，獲得了由TiC和游離碳組成的滲層，滲層的表面硬度達(dá)到936 HV，摩擦因數(shù)降為0.08，從減摩和抗磨兩方面改善了TC4合金的摩擦學(xué)性能。

本文利用加弧輝光離子滲金屬技術(shù)在鈦合金表面滲鋁，制備了富鋁的 Ti-Al合金化層，并分析了合金化層的組織結(jié)構(gòu)、室溫力學(xué)性能及高溫抗氧化性能。

1 實驗

1. 1 加弧輝光滲鋁

基體材料為25 mm × 40 mm × 4 mm的鈦合金TC4，將其打磨拋光后用丙酮清洗；弧靶為高純鋁靶，直徑為100 mm，純度為99.99%。

采用北京世紀(jì)輝光科技發(fā)展有限公司設(shè)計制造的DBY-501等離子表面冶金實驗爐對TC4鈦合金進(jìn)行滲鋁，工作氣體為氬氣，具體工藝參數(shù)為：氬氣壓強(qiáng)20 ～ 30 Pa，工件與靶材之間的距離20 mm，陰極電壓850 V，弧靶電流50 A，滲鋁時間60 min，滲鋁溫度1 000 °C。

1. 2 性能表征

1. 2. 1 微觀形貌和結(jié)構(gòu)

金相試樣沿合金化層橫向截取，打磨拋光后用φ(HF)∶φ(HNO3)∶φ(H2O)= 1∶2∶17的腐蝕液腐蝕。采用日立S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)觀察金相試樣的微觀組織，并利用Horiba E-MAX能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分；采用島津XRD-6100型多功能X射線衍射儀(XRD)對試樣進(jìn)行物相鑒定。

1. 2. 2 顯微硬度

利用山東萊州華儀試驗儀器有限公司生產(chǎn)的HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計測定，載荷為1 kg，加載時間為15 s。

1. 2. 3 摩擦磨損性能

利用中國科學(xué)院固體潤滑國家重點實驗室生產(chǎn)的 MS-T3000球盤式摩擦磨損試驗機(jī)測定，對磨球材質(zhì)為Si3N4，載荷為10 N，旋轉(zhuǎn)半徑為5 mm，時間為5 min。

1. 2. 4 抗高溫氧化性能

采用北京科委永興儀器有限公司生產(chǎn)的SX2-2.5-10箱式電阻爐，在800 °C下對合金化試樣進(jìn)行100 h的高溫循環(huán)氧化試驗，每隔20 h稱重1次。

2 結(jié)果與討論

2. 1 氧化前合金化層的組織結(jié)構(gòu)

圖1為TC4合金基體和滲鋁時間為60 min的合金化層的XRD譜圖。從圖1可知，基體主要由α-Ti相組成，而合金化層由單一的TiAl3相組成。

圖1 TC4基體和滲鋁60 min所得合金化試樣的XRD譜圖Figure 1 XRD patterns of TC4 substrate and the alloyed sample obtained by aluminizing for 60 min

圖2為滲鋁不同時間所得合金化試樣的SEM照片。從中可以看出，滲鋁30 min所得合金化層表面呈胞狀凸起，滲鋁60 min所得合金化層表面較為平整，晶粒尺寸基本一致。從圖2b還可看出，合金化層表面整體完好，無雜質(zhì)、孔洞等缺陷。

圖2 滲鋁不同時間所得合金化試樣的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of the alloyed samples obtained by aluminizing for different time

圖3為滲鋁60 min所得合金化層的成分分析結(jié)果。從圖3可以看出，合金化層表面的顆粒狀組織由Ti、Al 2種元素構(gòu)成，二者的原子分?jǐn)?shù)分別為27.06%和72.94%，這與XRD結(jié)果一致，并且Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于60%。

圖3 合金化試樣表面的EDS分析結(jié)果Figure 3 EDS analysis result of the alloyed coating surface

圖4為合金化試樣的截面形貌和成分分布圖?？梢钥闯觯辖鸹瘜雍穸确植季鶆?，約22 μm厚，成分梯度漸變，結(jié)合區(qū)為典型的冶金結(jié)合特征，結(jié)合區(qū)寬度約為8 μm。

圖4 合金化試樣的截面形貌及元素分布Figure 4 Cross-section morphology and element distribution of the alloyed sample編者注：圖4b原為彩色，請見C1頁。

2. 2 合金化層的室溫性能

硬度測試結(jié)果表明，基體和合金化層的平均顯微硬度分別約為287 HV和476 HV，說明滲鋁可以有效提高基體硬度。

圖5為合金化試樣的室溫摩擦因數(shù)曲線。從圖5可以看出，合金化試樣、基體的平均摩擦因數(shù)分別約為0.35和0.70，這主要是由于滲鋁后TC4表面形成了鈦鋁金屬間化合物。由于摩擦?xí)?dǎo)致工件產(chǎn)生大量摩擦熱，使工件表面溫度升高，從而導(dǎo)致材料表面發(fā)生以氧化為主的一系列化學(xué)變化，也會使摩擦副之間的擴(kuò)散和粘著增加，從而加劇工件的磨損。合金化層摩擦因數(shù)的降低意味著使用過程中合金化層的摩擦生熱低于基體，從而提高了試樣的摩擦磨損性能。

2. 3 合金化層的抗高溫氧化性能

圖6為基體和合金化試樣在800 °C下氧化100 h后的XRD譜。

圖5 合金化試樣的室溫摩擦因數(shù)曲線Figure 5 Room temperature friction coefficient curve for alloyed sample

圖6 TC4基體和合金化試樣在800 °C下氧化100 h后的XRD譜圖Figure 6 XRD patterns of TC4 substrate and the alloyed sample after oxidation at 800 °C for 100 h

從圖6可知，基體氧化后的產(chǎn)物主要為TiO2，僅生成少量的Al2O3，而合金化試樣表面的氧化產(chǎn)物主要為Al2O3。

圖7為基體和合金化試樣在800 °C下氧化100 h的動力學(xué)曲線?？梢钥闯?，基體氧化后明顯增重，100 h的平均氧化增重為3.214 3 mg/mm2，氧化動力學(xué)曲線基本符合直線規(guī)律。觀察基體表面發(fā)現(xiàn)，氧化20 h時，基體便出現(xiàn)氧化皮開裂和剝落現(xiàn)象；氧化100 h后，氧化皮多層剝落，表面氧化膜較為疏松(見圖8)。

圖7 TC4基體和合金化試樣在800 °C下氧化100 h的氧化動力學(xué)曲線Figure 7 Oxidation kinetic curves for TC4 substrate and alloyed sample during oxidation process at 800 °C for 100 h

合金化試樣氧化100 h后未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，平均氧化增重為1.063 5 × 10-2mg/mm2，僅為基體的1/30，可知合金化試樣的抗高溫氧化能力明顯優(yōu)于基體。觀察合金化試樣的形貌(見圖9)可知，經(jīng)800 °C氧化100 h后，合金化試樣的表面形貌未發(fā)生明顯變化，僅在表面生成薄而致密的Al2O3氧化膜。

3 結(jié)論

(1) 采用加弧輝光離子滲鋁技術(shù)在TC4鈦合金表面成功制得組織均勻致密的富鋁合金化層，其主要相結(jié)構(gòu)為TiAl3。

(2) 合金化層的平均顯微硬度約為 476 HV，平均摩擦因數(shù)約為 0.35，室溫抗摩擦磨損性能顯著優(yōu)于 TC4基體。

(3) 經(jīng)800 °C氧化100 h后，合金化試樣表面生成致密的Al2O3膜，氧化增重為1.063 5 × 10-2mg/mm2，僅為基體的1/30，抗高溫氧化能力顯著優(yōu)于基體。

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[ 編輯：周新莉 ]

Effect of arc-added glow discharge aluminizing on oxidation resistance of TC4 titanium alloy at high temperature

DAI Jing-jie*, ZHU Ji-yun, ZHUANG Lei, LI Shou-ying

To improve the oxidation resistance of TC4 titanium alloy at high temperature, a Ti-Al alloyed coating was prepared on its surface by arc-added glow discharge technology. The microstructure, room temperature properties, and oxidation behavior at high temperature of the aluminized TC4 titanium alloy were characterized. It is shown that the alloyed coating is mainly composed of TiAl3phase and has better overall performance such as a uniform thickness, a strong metallurgical bonding to substrate, a microhardness of 476 HV, and an average friction coefficient of 0.35. The major product of the alloyed coating after oxidizing at 800 °C for 100 h is Al2O3and the weight gain per unit area is 1/30 that of the TC4 substrate, indicating that the oxidation resistance of TC4 substrate at high temperature is improved significantly.

titanium alloy; arc-added glow discharge aluminizing; alloying; high-temperature oxidation resistance; microstructureFirst-author’s address:Qingdao Binhai University, Qingdao 266555, China

TG178

A

1004 - 227X (2015) 11 - 0605 - 05

2015-02-11

2015-03-27

山東省高?？萍加媱濏椖浚↗13LA54）。

戴景杰（1979-），男，山東青島人，博士，講師，主要從事材料表面改性與強(qiáng)化方面的研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) daijingjie1979@163.com。