鈦及鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù)的研究進(jìn)展

李芳婷，王愷婷，李春波，巨朝飛

（寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014）

在當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)全面化發(fā)展，有較強(qiáng)抗腐性的鈦及其合金被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，但是例如無法滿足過強(qiáng)負(fù)荷的耐磨性等問題限制鈦及鈦合金進(jìn)一步發(fā)展，因頻繁更換造成成本投入過高。目前有效解決方法有提升鈦合金各方面性能的重構(gòu)組織成分，以及形成表面土層的表面增強(qiáng)技術(shù)，后者在經(jīng)濟(jì)效益方面更具有實(shí)際意義。

1 鈦及鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 表面納米化處理

作為新型表面處理技術(shù)，納米化處理可以實(shí)現(xiàn)在不改變鈦及鈦合金表面材料成分的前提條件下，僅使用物理、化學(xué)等手段，將材料需要處理位置上層的晶粒進(jìn)行深度細(xì)化，直到納米級(jí)別，從根本上解決材料表面抗疲勞問題，進(jìn)而提升鈦及鈦合金表面耐腐蝕性能，在實(shí)際應(yīng)用上也可以提高耐磨性能。使用噴丸法、超音速微粒轟擊法等，將處理工具與工件表面進(jìn)行充分作用，讓鈦及鈦合金表面晶粒被機(jī)械方法破碎，深度細(xì)化后，對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化。對(duì)TC4使用高能噴丸表面納米化技術(shù)，可以保障晶粒尺寸接近20nm，借助表面硬度高于原材料的硬化層，提升材料抗疲勞性能。而處理TA2后，晶粒尺寸接近30nm的納米表層，其表層晶粒形成可以提升材料硬化程度的形變孿晶[1]。尤其是我國在623K條件下在鈦及鈦合金處理方面要強(qiáng)于美國相關(guān)規(guī)范，目前是事業(yè)領(lǐng)先水平。使用超音速微粒轟擊法，對(duì)Ti-6Al-4V合金進(jìn)行處理，可以在其表面衍生出納米等軸組織，擁有20nm晶粒尺寸，讓合金表面相較于原材料硬度可以提升一倍以上。但是這種表面納米化處理因?yàn)槠鸩捷^晚，沒有廣泛推廣。

1.2 表面擴(kuò)滲和離子注入

與表面納米化處理不同，表面擴(kuò)滲和離子注入將金屬或非金屬材料摻雜在鈦合金基體材料中，改變其表面組織成分，借助改性層產(chǎn)生提升鈦合金基體表面抗性。例如鈦及鈦合金表面使用氮、碳等非金屬材料滲透，或使用鋁、鉬等金屬材料進(jìn)行擴(kuò)散，從而提高鈦合金基體耐磨性與耐腐蝕性。使用網(wǎng)狀陰極輝光放電法，將Ta對(duì)TC4基體表面進(jìn)行滲鍍，可以有效提升TC4基體耐腐蝕性能[2]。利用固體粉末包埋法，利用制備滲鉬層方式，可以有效將TC6表面相結(jié)構(gòu)大幅度改變，讓TC6表面硬度提升至1400HV；目前在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，真空技術(shù)理論研究與使用功能深度也逐漸提升，可以在原有表面滲透技術(shù)基礎(chǔ)上，衍生出一種離子注入技術(shù)。例如使用離子滲氮方法，可以將TA7鈦合金表面硬度提高至1200HV。而使用加弧輝光離子無氫滲碳技術(shù)，處理Ti6AI4V合金表面，其表面硬度可以達(dá)到935HV，也表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐磨性。也可以使用液相等離子電解碳氮共滲技術(shù)處理Ti6Al4V合金，使合金表面產(chǎn)生Ti沉積的硬質(zhì)涂層。而增加使用該方式處理鈦合金時(shí)間，可以有效提升硬質(zhì)滲層厚度，提高鈦合金的耐磨性。

1.3 表面涂層技術(shù)

在基體材料表面使用相應(yīng)工藝進(jìn)行處理，復(fù)合涂層與基體材料，使其基體表面產(chǎn)生保護(hù)涂層，在化學(xué)、熱學(xué)等方面都具有良好性能。可以借助表面涂層的耐腐蝕與耐熱性，減少生產(chǎn)成本支出，從而提升產(chǎn)品性能，在后續(xù)使用中也具有較長使用壽命。目前使用氣相沉積、熔覆等方式的表面涂層技術(shù)，可以有效提升鈦合金耐磨性能，對(duì)于抗腐蝕性也有較強(qiáng)效果[3]。將表面活化和氫化處理有機(jī)整合，可以有效提高鈦合金表面導(dǎo)電性能，也可以避免與例如軟性雨水等接觸后，產(chǎn)生材料腐蝕問題。而使用氣相沉積技術(shù)，將TA2、TC11基材制成TiAIN膜層，可以將膜層與基體結(jié)合部分形成三種元素相互結(jié)合的冶金結(jié)合，有效增強(qiáng)基材各類性能。

2 鈦及鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 集成計(jì)算材料工程的新思路

作為當(dāng)前材料研究主要方向，集成計(jì)算材料工程可以重構(gòu)材料基因組，將龐大計(jì)劃材料科學(xué)計(jì)算工具整個(gè)為一個(gè)具備多種功能的系統(tǒng)，對(duì)于材料學(xué)快速研發(fā)具有重要意義。通過材料改造工程設(shè)計(jì)，將原本材料設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)整合，降低材料研發(fā)試錯(cuò)成本，提高研發(fā)效率，對(duì)于從微觀與宏觀角度研究材料提供新角度，也提供在例如超高溫低溫等極端環(huán)境條件下，研究材料各項(xiàng)數(shù)值變化渠道。

由于鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù)涉及到材料表面成分設(shè)計(jì)，構(gòu)建微結(jié)構(gòu)特殊物理化學(xué)特性，引入集成計(jì)算材料工程，可以有效降低鈦合金實(shí)際應(yīng)用研究成本，拓寬鈦合金材料應(yīng)用廣度。借助Ni合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)信息，可以完整對(duì)鈦合金表面激光熔覆鎳基合金的熱力學(xué)相變過程進(jìn)行系統(tǒng)化研究，使用有限元模擬鈦合金工作環(huán)境溫度場，從而有效分析在使用激光熔覆方式構(gòu)建TiC-NiCrBSi覆層，其應(yīng)用性能效果[4]。而且，借助thermo-cale軟件進(jìn)行相變動(dòng)力學(xué)計(jì)算，可以詳細(xì)追蹤、記錄鈦合金熱力學(xué)相圖，對(duì)于Ni.Ti.C等原子在實(shí)驗(yàn)條件下化合構(gòu)成NiB與TiC進(jìn)行檢驗(yàn)，比較激光熔覆工作效率與質(zhì)量。我國先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)鈦合金特性進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，成功摸索對(duì)鈦合金表面增強(qiáng)最佳激光熔覆功率，即速度保持在4 mm/s，作用范圍維持在4.5mm，功率可達(dá)2.5kW。

目前使用集成計(jì)算材料工程研究鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù)，整合熱力學(xué)與數(shù)值模擬方式，對(duì)材料基體涂層形成進(jìn)行研究，同時(shí)分析應(yīng)力場、溫度場對(duì)涂層影響情況。借助熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，對(duì)鈦合金表面的熱力學(xué)組織形成效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，并嚴(yán)格掌控材料表面相變過程，使用定向設(shè)計(jì)方法增強(qiáng)鈦合金表面效果，對(duì)于鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù)更新迭代具有重要意義。而且，在嚴(yán)格約束材料在處理前后的各項(xiàng)條件下，工藝參數(shù)采用可視化方法，可以更好掌握材料基體性能變化，推動(dòng)鈦合金表面工程以低成本、高效進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。

2.2 膜層設(shè)計(jì)的新方法

伴隨工業(yè)快速發(fā)展，涂層技術(shù)的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用也逐漸被熱門挖掘，同時(shí)也對(duì)鈦金屬表面增強(qiáng)技術(shù)提出更高要求，例如在要求鈦金屬表面具有較強(qiáng)耐磨性能時(shí)，同樣具備較高導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，擁有耐腐蝕效果的同時(shí)，也要有較好抗沖擊能力等。在工業(yè)具體需求逐漸拓展到各個(gè)領(lǐng)域，提升鈦金屬表面性能成為當(dāng)前技術(shù)要求，也同樣要求膜層組織結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)表現(xiàn)性能。在這種背景條件下，膜層設(shè)計(jì)逐漸成為工業(yè)研究重點(diǎn)項(xiàng)目內(nèi)容。針對(duì)不同需求，需要設(shè)計(jì)具備不同功能的磨蹭，以及材料相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)膜層調(diào)幅周期進(jìn)行有效調(diào)整，對(duì)于提升膜層性能具有重要幫助，例如借助物理、化學(xué)氣相沉積，可以提供納米級(jí)到微米級(jí)的膜層調(diào)幅周期。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的功能梯度膜層，讓材料基體到膜層實(shí)現(xiàn)無縫性能漸變，有效避免材料基體與膜層因物理性質(zhì)不契合，導(dǎo)致材料基體表面膜層失效問題[5]。利用納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，將其與多層復(fù)合膜整個(gè)，有效提升鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用效果。利用DLC具有較高硬度，對(duì)于摩擦力較小性能較為突出，也誕生DLC功能梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，現(xiàn)在已經(jīng)有小批量生產(chǎn)的DLC/TiC/TiNTi功能梯度膜，不僅在化學(xué)方面具有較強(qiáng)抗性，功能也相較以前有較大進(jìn)步，可以在基體與膜層之間構(gòu)建過渡粘結(jié)層，進(jìn)而使兩個(gè)相互擴(kuò)散，對(duì)于兩者有機(jī)結(jié)合具有重要意義。

2.3 多技術(shù)復(fù)合的新工藝

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)鈦合金表面處理技術(shù)以電鍍、微弧氧化等技術(shù)為主，但是這些技術(shù)如果單獨(dú)使用，膜層質(zhì)量無法完全保障，也存在一些例如能源消耗過度，生產(chǎn)效率較低等問題[6]。例如電鍍的鈦合金表面處理就存在膜層結(jié)合力差問題，而且工藝技術(shù)使用的鍍液也會(huì)造成環(huán)境污染。在這種現(xiàn)實(shí)條件下，整合兩者或兩者以上技術(shù)，在促進(jìn)膜層質(zhì)量提升的條件下，也可以規(guī)避因使用單一技術(shù)而造成環(huán)境污染，或經(jīng)濟(jì)效益低下等問題。對(duì)材料基體表面進(jìn)行噴砂處理，并使用超音速火焰噴涂Co-WC涂層的綜合處理方式，并對(duì)TC18鈦合金表面疲勞規(guī)律進(jìn)行跟蹤研究，可以發(fā)現(xiàn)在超音速火焰噴涂Co-WC涂層技術(shù)的高溫作用下，可以有效降低TC18鈦合金表面在噴砂處理進(jìn)行的機(jī)械處理殘留壓應(yīng)力，有效提升鈦合金抗疲勞性能。而在醫(yī)療行業(yè)的鈦及鈦合金表面增強(qiáng)技術(shù)，利用氧化、鍍碳、類金剛石薄膜的綜合性技術(shù)，可以讓其鈦合金表面形成與材料基體具有較強(qiáng)結(jié)合力的薄膜，提高材料基體的耐磨性能，提升抗腐蝕能力。利用熱噴涂與激光熔覆整合技術(shù)，可以在銅合金表面制成NiCrFeWBC自熔性合金涂層，可以讓涂層與材料基體結(jié)合效果有效提升，涂層耐磨性要遠(yuǎn)高于常規(guī)使用熱噴涂方法制成的合金表面涂層。

3 結(jié)論

雖然目前在鈦及鈦合金的表面增強(qiáng)技術(shù)方面，有著喜人的進(jìn)步，而且鈦的實(shí)際應(yīng)用與理論研究也在逐漸成為工業(yè)發(fā)展重要組成成分，但是仍不能以當(dāng)前成果為終點(diǎn)，而是應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入材料層面，使用重構(gòu)組織成分方法提升鈦合金性能，從源頭上解決鈦合金高效率的問題，加快我國在分子重組方面的研究能力，從而帶動(dòng)我國工業(yè)健康發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型奠定技術(shù)基礎(chǔ)。