[00017365]鈦合金表面輝光等離子體合金化技術

　　1.成果主要用途

　　該技術主要用于金屬的表面合金化，尤其是鈦及鈦合金的表面合金化，以提高其表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及抗高溫氧化性等。鈦合金因其比強度高、耐蝕性好、耐熱、無磁、低溫力學性能良好等眾多優點，已廣泛應用于航空、航天、艦船、化工、汽車和生物醫學等領域。對鈦表面進行處理，賦予其優異的功能后，才能使鈦承受更惡劣的服役環境和條件，使鈦固有的優異性能得到充分的發揮。

　　2.成果主要特點

　　本成果的主要特點是大幅降低鈦及鈦合金表面合金化工藝溫度，在低于鈦及鈦合金相變溫度的條件下，通過等電位針狀陰極輝光放電發生裝置，對鈦及鈦合金進行表面合金化，從而達到在提高鈦及鈦合金表面物理、化學性能的同時，保證基體材料獲得良好的綜合力學性能。并且本設備操作方便，成本低，放電穩定，能耗低，無污染。

　　3.主要技術指標參數

　　等離子輝光放電表面合金化的主要工藝參數有，工作氣壓、放電電壓與電流、滲金屬溫度、保溫時間、源極結構與分布、工件放置方式、工作氣體成分。工作氣壓的綜合作用最終導致源極的供給能力和工件的吸收能力發生變化，進而影響合金滲層的形成，氣壓太高或太低都不利于合金滲層的形成。同樣，其它參數都有一最佳范圍，太高或太低都不利于滲金屬。

　　4.主要工程案例

　　案例一

　　在鈦合金表面等電位針狀陰極輝光放電制備W-Mo-C共滲層的方法如下：將板狀Ti6Al4V鈦合金工件4和陣列式鎢、鉬和石墨針狀陰極3置于空心罩體5內，所述工件4和針狀陰極3的間距為5~15mm，陣列式鎢、鉬和石墨針狀陰極3中各陰極針之間的距離為5~15mm。放電前采用機械泵將本底氣壓抽至1Pa以下。進氣口一端與質量流量控制器連接，通過質量流量控制器分別控制氬氣流量和氣體氣壓，氣體流量為50~100sccm，放電氣壓為30~50Pa；采用直流脈沖電源，脈沖電流占空比30%~60%，電壓控制在450~700V，電流1.0~2.0A，放電時間為3~5h，通過紅外測溫儀對Ti6Al4V鈦合金工件進行測溫，溫度控制在450~600℃，在Ti6Al4V鈦合金工件表面形成厚度為8.0~25.0μm的均勻、致密的W-Mo-C合金共滲層，圖2為處理前后試樣的照片，圖3為處理后試樣截面的SEM圖片。處理后的滲層與基體結合狀態良好，合金滲層臨界載荷Lc達到67.9N，沒有發生脫落現象。滲層的平均硬度和彈性模量分別為10.3GPa和590.0GPa，比基體材料分別提高了3倍和4倍，抗拉強度提高到1103.5MPa，延伸率達到12.7%，有效地避免了高溫相變導致的基材機械性能下降和工件變形。表面摩擦系數減小到0.35，年靜態腐蝕為基體的1/7~1/5，沖蝕腐蝕是基體的1/37~1/19。由于溫度低于相變溫度，如圖3所示，試樣處理前后基體顯微組織沒有發生變化，保持網籃組織特征。在提高鈦合金表面物理、化學性能的同時，保證基體材料獲得良好的綜合力學性能。

　　案例二

　　在純鈦表面等電位針狀陰極輝光放電制備W-Mo共滲層的方法如下：將板狀純鈦TA1工件和陣列式W-Mo合金針狀陰極置于空心罩體內，所述工件和針狀陰極的間距為5~10mm，陣列式W-Mo合金針狀陰極中各陰極針之間的距離為5~10mm。放電前采用機械泵將本底氣壓抽至0.1Pa以下。進氣口一端與質量流量控制器連接，通過質量流量控制器分別控制氬氣流量和氣體氣壓，氣體流量為50~80sccm，放電氣壓為30~40Pa；采用直流脈沖電源，脈沖電流占空比30%~40%，電壓控制在500~750V，電流0.5~1.5A，放電時間為3~5h，通過紅外測溫儀對純鈦工件進行測溫，溫度控制在650~750℃，在純鈦工件表面形成厚度為10~30μm的均勻、致密的W-Mo合金共滲層，圖4為純鈦TA1經W-Mo共滲后表面的SEM照片，由圖4所示，合金滲層均勻，致密，無顯微裂紋，并與基體結合良好，圖5為處理后試樣截面的SEM圖片。處理后的試樣中最大的抗拉強度為546 MPa，比原始試樣提升了49%，表面最大的顯微硬度為1196 HV，較原始試樣增加了6.85倍。純鈦經過W-Mo二元共滲后，其表面硬度增加，抗拉強度增加，表面的力學性能得到改善。