鈦及鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等特征,在生物醫(yī)療、航空工業(yè)和機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但是,鈦及鈦合金存在著摩擦系數(shù)高、硬度低等缺點(diǎn),限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。為提高鈦及鈦合金的疲勞性能和表面硬度,本文采用表面機(jī)械強(qiáng)化和激光表面合金化技術(shù)對(duì)工業(yè)純鈦TA2進(jìn)行了表面改性處理。 對(duì)a-Ti和a′-Ti分別進(jìn)行噴丸和滾壓表面機(jī)械強(qiáng)化。在Amsler-5100疲勞試驗(yàn)機(jī)上,測定應(yīng)力比為0.1、循環(huán)周次為10~6的室溫三點(diǎn)彎曲條件疲勞強(qiáng)度。利用透射電子顯微技術(shù)、X射線衍射技術(shù)研究了表面機(jī)械強(qiáng)化層的組織亞結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布,測定了試樣表面粗糙度。 a-Ti經(jīng)噴丸、滾壓后的組織、殘余應(yīng)力粗糙度對(duì)比研究結(jié)果表明:1)強(qiáng)化層組織中均可觀察到位錯(cuò)和變形孿晶。滾壓形成了單個(gè)分散的孿晶,噴丸表層中形成大量相互交疊的孿晶和變形帶;疲勞后,噴丸組織中產(chǎn)生孿晶-孿晶的交互作用,而滾壓組織中是孿晶-晶界的交互作用。2)噴丸較滾壓強(qiáng)化表層殘余應(yīng)力松弛顯著,疲勞后兩者的表層殘余應(yīng)力相當(dāng)。3)噴丸較滾壓粗糙度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 a'-Ti噴丸強(qiáng)化表面層具有較高的表面粗糙度,殘余壓應(yīng)力在疲勞加載中部分松弛,近表面強(qiáng)化層組織中形成的高密度位錯(cuò)、準(zhǔn)孿晶柵欄和變形帶是疲勞強(qiáng)度提高的主要因素。a'-Ti滾壓強(qiáng)化表面層中變形孿晶數(shù)量較少,但疲勞加載使變形孿晶長大(變粗變長)的過程中,變形孿晶穿越馬氏體板條束,起到分割、細(xì)化基體組織和抑制殘余應(yīng)力衰減的作用;加之滾壓處理試樣表面粗糙度低,因此疲勞強(qiáng)度提高。 采用CO_2激光器對(duì)a-Ti進(jìn)行表面合金化。所添加的合金化材料為:N_2,C,Ti+C,Ti+W+C元素;WC,TiC陶瓷;Ti+WC,Ti+TiC,Ti+C+WC金屬-陶瓷。對(duì)合金化層的組織結(jié)構(gòu)、相組成和顯微硬度進(jìn)行測試分析。 a-Ti激光重熔層由針狀a′-Ti構(gòu)成。針狀組織在晶界處較晶粒內(nèi)粗大。激光氣體氮化層由TiN和a′-Ti構(gòu)成,激光氣體氮化機(jī)制為N_2在Ti表面的吸附、N_2的分解、表面反應(yīng)、氮的擴(kuò)散、TiN的析出和熔體的凝固。 a-Ti激光碳合金化層由TiC和a′-Ti構(gòu)成。TiC的生長形貌與凝固速度和熔池中的C濃度有關(guān),TiC形貌有樹枝狀、十字花瓣?duì)睢睢l(fā)達(dá)樹枝晶、球狀以及針狀。TiC的合成過程分為三個(gè)階段:激光輻照時(shí),固態(tài)C顆粒迅速擴(kuò)散至激光熔池并被液鈦包圍;首先固-液結(jié)合界面處的Ti和C直接反應(yīng)形成TiCx,隨后液Ti擴(kuò)散并穿過TiCx層與剩余的C進(jìn)行反應(yīng),生成的TiC溶于液相中;快速凝固過程中,TiC從溶液中析出并長大。復(fù)合添加C+Ti粉,改善了界面結(jié)合質(zhì)量,合金化層組織因激光多道掃描,不同Ti/C比例的組織與單獨(dú)添加C相似。 激光表面合金化TiC和WC,熱影響區(qū)/合金化層界面處存在孔洞等缺陷。復(fù)合添加TiC+Ti界面層處TiC出現(xiàn)部分熔化現(xiàn)象。復(fù)合添加Ti+WC合金粉末中,TiC的形成需要WC熔化、分解出[C]。Ti/WC比例越低,所提供的[C]越多,組織中TiC的體積分?jǐn)?shù)越大。 激光表面合金化Ti/WC(2:1)中發(fā)現(xiàn)了組織和硬度梯度分布現(xiàn)象,從表面到結(jié)合界面陶瓷相組織的變化為:不規(guī)則的未熔WC、球形的部分熔化WC和原位自生TiC、斷續(xù)網(wǎng)狀的復(fù)雜碳化物。這為不改變材料成分制備梯度材料提供了簡單可行的技術(shù)。 激光表面合金化Ti+C+WC((Ti+C)/WC=1:1)合金粉末中Ti/C比例對(duì)組織有顯著影響。合金化層中TiC形貌主要受初始Ti/C比例的影響。激光表面合金化TiCW體系中形成了(Ti,W)C。但(Ti,W)C組織形貌隨合金粉末成分的差異而變化。 此外,建立了各合金粉末激光表面合金化時(shí)組織形成過程的簡單模型。激光表面合金化復(fù)合粉末時(shí),激光輻照下低熔點(diǎn)Ti先熔化,隨后熔融態(tài)高熔點(diǎn)物質(zhì)溶解于鈦液形成熔池。合金粉末中的C或WC分解產(chǎn)生的[C]都與Ti的反應(yīng),直至C或[C]量耗凈,產(chǎn)物中有原位自生TiC,合金化層硬度與基體a-Ti相比顯著提高。