引言

鈦屬于輕金屬,具有良好的延展性、易導(dǎo)電、導(dǎo)熱。 同時(shí),鈦也具有良好的耐腐蝕性和耐低溫性[１] 。 純鈦當(dāng)中TA２牌號(hào)在工業(yè)當(dāng)中使用最為廣泛,主要應(yīng)用于制造各種非承力結(jié)構(gòu)件,同時(shí)工業(yè)純鈦還可用于生物植入材料[２] 。

鈦合金是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬,其具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度低、低溫性能好,在低溫和超低溫下,仍能保持其力學(xué)性能、生物相容性好等多種良好特殊性能,自從問世以來已經(jīng)成為一種重要的結(jié)構(gòu)材料,其在航空航天、海洋、汽車、裝甲和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中得到越來越多的應(yīng)用[３-９] 。

鈦合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用一般是在引擎系統(tǒng),由鈦合金制成的零部件具有一定的優(yōu)異性,其質(zhì)量輕,對于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃油性有一定的提升,發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也會(huì)有很大的改善 [１０] 。 表１為適用于汽車的鈦合金品種,表２為鈦合金零部件在引擎系統(tǒng)中的應(yīng)用。

鈦及鈦合金由于其性能優(yōu)異,常廣泛應(yīng)用于高精尖技術(shù)領(lǐng)域。 但在某些工作環(huán)境下,其也存在一定的缺點(diǎn)和問題,如硬耐磨性差、抗氧化能力差等;鈦及鈦合金發(fā)展應(yīng)用也由于這些缺點(diǎn)而受到一定的限制[１２－１３] 。 目前,解決鈦及鈦合金應(yīng)用受限的常用方法是表面改性技術(shù)。

2、 傳統(tǒng)的表面改性方法

隨著鈦和鈦合金的使用日益增長,為了提高鈦和鈦合金的表面性能來滿足不同使用環(huán)境下需求,在過去的幾十年里,各種傳統(tǒng)表面改性技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用。 本文主要針對傳統(tǒng)表面改性方法中的噴丸處理、熱噴涂以及中電化學(xué)處理進(jìn)行介紹。

2.1 噴丸處理

噴丸處理是將大量0.25－１毫米大小的硬質(zhì)鋼球以一定速度撞擊材料表面,在表面產(chǎn)生塑性變形,可以得到了晶粒細(xì)化的表面改性層[１４－１６] 。 噴丸處理包含一般噴丸和應(yīng)力噴丸,設(shè)備簡單,成本低廉,操作比較方便。 噴丸強(qiáng)化的鈦和鈦合金的硬度和耐磨性也得到了提高,是一種常用的鈦合金表面改性技術(shù)之一。 將普通噴丸技術(shù)與其他表面處理技術(shù)復(fù)合應(yīng)用,可以進(jìn)一步提高鈦合金的耐疲勞性。 Tsuji等[１７] 通過 等離子體滲碳與噴丸強(qiáng)化相結(jié)合技術(shù)研究其對TC４合金疲勞磨損性能的影響,發(fā)現(xiàn)其可以有效改善滲碳處理TC4合金的表面殘余應(yīng)力狀態(tài),使合金的疲勞壽命提高,如圖１所示。

2.2 熱噴涂

熱噴涂首先噴料熔化,而后再將噴料霧化成顆粒,并以高速噴射到基體表面形成涂層。 熱噴涂法經(jīng)濟(jì)、方便,是目前應(yīng)用最廣泛的表面微合金化方法之一。 它能在熱作用下將原料熔化以覆蓋 Ti基板,通過使用預(yù)先確定的參數(shù)集對軟化或熔化的原料進(jìn)行連續(xù)沉積,一層一層地制備涂層,可以在基體上制備各種表面合金涂層。 熱噴涂可以獲得不同性能基體表面,常見有耐磨、耐腐蝕、抗 氧 化等。 在高溫氧化環(huán)境下,合金涂層被氧化成致密的保護(hù)性氧化垢,能夠抑制氧和金屬離子的相互擴(kuò)散,從而提高鈦合金和鈦鋁合金的高溫抗氧化性[１８] 。

2.3 電化學(xué)處理

電化學(xué)處理是基于發(fā)生在 Ti和 Ti合金表面的化學(xué)反應(yīng)而發(fā)展起來的。 此方法中電源必不可少,電化學(xué)反應(yīng)受一些工藝參數(shù)的控制,如:電解液和電位、電流、溫度等。 一般來說,電化學(xué)處理包括電解拋光、陽極氧化、電沉積和電鍍。主要簡單介紹陽極氧化陽極氧化是金屬和合金的電化學(xué)氧化,可在金屬材料上制備不同氧化膜的普遍方法[１９] 。 對于鈦和鈦合金,常用的陽極氧化的電解溶液有硫酸、磷酸、醋酸、鉻酸等。 鈦合金表面陽極氧化膜的主要是增強(qiáng)其附著力和耐磨性,同時(shí)使鈦合金更好服務(wù)于航空航天和電子工業(yè)。

3、先進(jìn)的表面改性方法

由于新工藝技術(shù)的發(fā)展,近幾年來出現(xiàn)了大量先進(jìn)的表面改性技術(shù),如攪拌摩擦處理、激光表面改性和離子注入等。 這些先進(jìn)的表面改性方法可以進(jìn)一步提高鈦合金的表面性能及拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 離子注入

離子注入是在真空中將高能帶電離子束射向金屬近表層,使其形成新的表面改性層[２０] 。 根據(jù) 離 子 來 源 的 不同,鈦和鈦合金表面可形成氧離子注入層、氮離子注入層、碳離子注入層等不同的層。

氧離子注入技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬材料中,以改善金屬的力學(xué)和生物性能。 許多學(xué)者都研究證實(shí)鈦和鈦合金在耐磨性、耐腐蝕性方面的性能在氧離子注入后得到了改善。Mohan等[２１] 發(fā)現(xiàn) Ti－１３Nb－１３Zr在氧離子注入后,其耐磨性和耐腐蝕性同時(shí)增強(qiáng)。 如圖２所示,與未處理的 Ti－１３Nb－１３Zr相比,氧離子注入的 Ti－１３Nb－１３Zr有明顯的淺劃痕。 同理,氮離子、碳離子注入也可以提高鈦和鈦合金的表面性能。 碳離子注入可以使 Ti–６Al–４V的硬度增加兩倍以上,這是因?yàn)樾纬闪?TiC沉淀或 TiC層[２２] 。

3.2 激光表面改性

激光束具有高相干性和方向性,常用于許多金屬的表面改性。 激光表面重熔和激光熔覆是常用激光表面改性的兩種方法[２３] 。激光表面重熔將工件表面用高能密度激光束熔化后立即固 化。 激 光 重 熔 Ti襯 底 的 表 面 上 形 成 覆 蓋 有 薄TiO₂ 層的精細(xì)馬氏體結(jié)構(gòu),這兩者都具有比底層基底更高的硬度和更好的耐磨性。 因此,激光表面重熔是提高鈦和鈦合金耐磨性和耐蝕性的一種簡單方法。激光熔覆利用高能密度的激光束讓基體表面和熔覆材料(預(yù)先添加在基體表面或是與激光束同步輸送)熔凝,從而與基體形成冶金結(jié)合,激光熔覆工藝示意圖如圖３所示。 研究結(jié)果表明用 NiCoCrAlY 來提高 Ti–６Al–４V的硬度和耐磨性,激光熔覆產(chǎn)生的涂層硬度是Ti-6Al-4V基底的兩倍。 同時(shí)激光熔覆改變鈦合金表面性能也存在一些問題,由于熔覆材料和基體表面重熔和凝固過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,會(huì)使產(chǎn)生的涂層會(huì)出現(xiàn)裂紋。 因此,始終需要優(yōu)化加工參數(shù)。

3.3 物理氣相沉積

物理氣相沉積包括真空蒸鍍、離子鍍等,是一種氣化沉積成膜的方法。 真空蒸鍍,在真空條件下,在基體表面使鍍膜材料凝聚成膜的方法。 在混合 N₂ 和O₂氣流中蒸發(fā)Ti合成 TiN 和 TiO２ 復(fù)合涂層。 此復(fù)合涂層與其他表面改性方法制備的涂層相比,基體具有更高的硬度和耐磨性。 離子鍍是一種使用高能粒子轟擊襯底表面并沉積薄膜的工藝。 在 TiＧ６AlＧ４V 上 沉 積 TiSiN 膜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明,在10V的負(fù)偏壓下制備的 TiSiN 薄膜在海水中具有最佳的耐磨性。

4、總結(jié)

鈦合金有許多表面改性技術(shù),選擇適合其具體應(yīng)用的表面技術(shù)尤其重要。 采用適合的表面改性技術(shù)可以保持以及提高基體材料在不同應(yīng)用環(huán)境下的良好表面性能。這些表面改性技術(shù)在一定條件下還是會(huì)存在某些問題,當(dāng)前除了表面涂層制備方法外,涂層材料也是至關(guān)重要的一個(gè)因素,目前很多學(xué)者都在努力研制新型涂層材料,以此來進(jìn)一步改善鈦和鈦合金的表面性能,使其適用多種不同環(huán)境改性層的性能。 因此,可以展望未來將會(huì)有更多種新型表面改性方法,以實(shí)現(xiàn) Ti和 Ti合金的更好性能和更廣泛的應(yīng)用。

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