ta2钛合金真空渗碳层组织及性能研究

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1、TA2钛合金真空渗碳层组织及性能研究赵润宇杨蜂颜志斌李振鹏刘静贵州师范大学材料与建筑工程学院贵州大学材料与冶金学院采用自制间歇式真空渗碳装置，在不同压力下对TA2钛合金进行Clh和CJL混合渗碳处理。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、自动维氏硬度测试和万能摩擦磨损试验等检测手段，对比分析了不同气压下TA2钛合金的渗层组织、硬度和耐磨性。结果表明：渗层主要由TiCO.93相组成，表层组织细化;硬度比原样提高了2.78倍，有效硬化层深度超过120urn,硬度梯度平缓;平均摩擦系数大幅度降低，磨损速率达到5.7X10_7cm3/(min•N),仅

2、为原样的1/55;经渗碳处理后的TA2钛合金综合性能显著提高。关键词：TA2;间隙式;真空渗碳;硬度;耐磨性;但钛合金摩擦系数较人，尤其对粘着磨损和微动磨损非常敏感，耐磨性较差，从而限制了其在工业中的进一步应用。近年来，研宂荠们通过各种手段对钛合金进行表面强化以增强其耐磨性Ikll。游涛等用电火花沉积法(ElectrosparkDeposition)对钦合金表面进行渗碳强化处理，通过电容的脉冲放电将高纯石墨电极材料沉积在金属基体表面，从而改善钦表面的耐磨和耐蚀性能，但该表层的硬度梯度下降快，易发生脱落。梁城、牛伟等运用激光熔覆技术对钛材表

3、而进行强化处理£±11，在基材表而形成高硬度、抗氧化、耐磨损的添料熔覆层，其厚度可在儿十微米到儿毫米之间变化，但其质量较差，需二次加工，也存在热应力大、硬化层不均匀，易出现裂纹、对钛材外观形状表面有限制等问题m。李争显等m运用辉光等离子渗碳技术对钛合金进行渗碳处理，结果显示，钛合金表面硬度及耐磨性也得到提高。由于木研究前期采用间歇式真空渗碳技术对TA2、TC4钦合金进行表面渗氮处理，也获得了均匀、厚质的高强度硬化层。鉴于此，本研宄拟采用间歇式真空热处理技术对TA2钛材进行表面渗碳强化处理，以探索在不同渗碳介质压力下制备的钛合金表面强化层组

4、织、硬度和耐磨性变化规律［10-13］。1试验材料与方法试样规格为①15mmX5mm的圆柱形TA2钦合金。在渗碳之前对试样进行打磨、抛光和清洗。随后放入间歇式真空渗碳炉屮，加热前先将炉A空气排浄，抽真空;随后升温，渗碳温度控制为940°C,到达目标温度后向炉内充入CH4:C2H2配比为5:1的混合渗碳介质，试验压力分别为-40kPa、-55kPa、-70kPa和-85kPa。渗碳过程中对真空反应腔进行每0.5h循环充放，直至4h后随炉冷却至室温，取出试样。采用多晶粉末衍射仪(XRD,D8-Advance)分析渗碳层的物相组成。用MHV-2

5、.0型自动显微硬度仪加以载荷0.245N、沿线带角30°对试样截面硬度梯度进行测量。渗碳后的样品采用MM-U10端面耐磨试验机进行摩擦试验，对磨材料采用粒度为180um的砂纸，转速为lOOrpm，时间为30inin，试验过程中可获得摩擦系数随吋间的变化曲线;实验后用电子天平(0.1mg)测量质量损耗，磨损速率的按照公式(1)进行计算：I一磨损速率(cra/min•N)dv—磨损量(cm)dt一磨损时间(min)dF—麼损载荷大小(N)2结果与分析2.1渗层相结构分析由图1可知:经过渗碳后TA2钛合金的表面主要由Ti(56-8806)相组成

6、，并含有少量的Ti(56-3302);4种工艺处理的样品衍射峰分布相差不大，说明渗碳压力对试样表层的碳化物和组成影响不大，但是所生成强化和的和对含量来看，随着渗碳压力的降低，TiC«.93相的含量得到增加，说明低压渗碳气体介质有利于渗碳气体的分解和碳原子的扩散;另外，渗碳介质为CH4-C2H2的混合介质，在高温强渗时并不像单独用C2H2那样会产生大量碳黑，从而净化了渗碳环境，在保证碳势的同时提高了分解碳原子的活性，使试样表面对活性碳原子更容易吸附，提高碳化物的生成量。图1TA2在不同压力下渗碳的XRD图谱Fig.1TA2titaniuma

7、lloyXRDspectrumunderdifferentcarburizingpressure注：(a)-40kPa;(b)-55kPa;(c)-70kPa;(d)85kPa,下同。2.2金相组织与物相分析2.2.1金相组织分析由阁2可知:经过渗碳处理后表层均获得了一定厚度的碳化物小晶粒层，且外层的晶粒较为致密。当渗碳压强为-40kPa时，碳化物小晶粒区较薄，由于温度高于a-13相转变点，所以冷却时析出了一定厚度和长度的a相;渗碳压强降低到-55kPa时，碳化物小晶粒区有所拓宽，析出的a相厚度和宽度都减小;渗碳压强为-70kPa时，相比

8、-40kPa、55kPa的组织化物小晶粒区与a相没有明显的分界线，析出的u相厚度和宽度都相对减小，且组织均匀；当压强降低到-85kPa时，表层组织基本上没有长条的a相析出，绝大部分是由碳化物组