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TC4钛合金低温固体粉末渗硼的研究

雷丽  
【摘要】:TC4钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性能好、无磁等一系列特性而成为用途最广泛的钛合金。然而钛合金的硬度低,耐磨性能差,限制了它更广泛的应用。目前,渗硼作为一种简单有效的表面改性方法,已成功应用在改善钛合金的耐磨性上。但是现有的TC4合金固体粉末渗硼技术大多在1000~1200℃进行,超过了TC4合金的相变温度,晶格变化较大,工件变形量大,渗硼层较脆。 本文对TC4合金低温固体粉末渗硼和低温稀土-硼共渗的渗层形貌、组织结构、添加稀土元素对渗层的影响和稀土的催渗机理进行了系统的研究,并同高温稀土-硼共渗的渗层形貌、性能及基体组织变化进行对比研究,探讨了渗硼过程中钛基体α和β相的转变。 (1)研究了低温下固体粉末渗硼法形成硬质的硼钛层来改善TC4钛合金的表面性能,借助于金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机等设备对渗硼层的表面形貌、组织结构和性能进行了分析。通过观察分析渗层的显微组织结构,发现渗层由表层的硼钛化物层和过渡层构成,晶须与基体结合紧密,并用热力学原理验证了双相硼钛物的形成。在950℃下分别渗硼5~40h后,渗层厚度范围为5.3~5.4μm。硼钛化物层显微硬度值的变化范围为2500HV0.05~250HV0.05,比基体的硬度值(360HV0.05~390HV0.05)提高了5倍左右。摩擦磨损实验结果表明渗层的摩擦系数范围为0.2~0.3,过渡区的摩擦系数上升到0.4,均低于基体的摩擦系数,其耐磨性显著增强。 (2)对TC4钛合金进行低温稀土-硼共渗研究。确定最佳稀土加入量,考察了稀土对渗层的形貌的影响。通过SEM检测,渗层由表及里的顺序为TiB2层→TiB晶须→过渡层。对单渗硼和稀土-硼共渗处理后渗层的硬度、耐磨性进行了对比研究。结果表明稀土的最佳含量为5%,加入稀土后渗硼层层深加大,而且渗层的显微硬度值比单渗硼的硬度值约提高25%,范围为3100HV0.05~750HV0.05,渗层摩擦系数为0.2~0.3,耐磨性有较大地改善。 (3)对稀土的催渗机理进行了探讨,表明稀土特有的电子结构在渗硼中能缩短周期,降低热处理温度。稀土元素可形成活性原子,依据“双空位”和“短程扩散”机理完成向内的扩散。稀土的催渗作用则是“活性中心-表面效应”机理和“点阵畸变-气团通道”机理共同作用的结果。 (4)同高温共渗相比,低温渗硼层致密均匀无孔洞,而且硬度梯度和脆性得到进一步改善,耐磨性能良好。低温共渗后TC4基体为等轴组织,综合性能好,有效地防止了高温时p相粗晶的形成。 (5)对TC4合金慢冷时a和p相的转变进行了初步探讨。α相的析出过程是一个形核和长大的过程。合金加热到β相区缓冷时,α相先形成晶界,之后向晶内集束扩展,p相处于α片状之间形成网状薄层,即形成魏氏体组织(α+β);合金加热到(α+β)相区缓冷时,析出的α相在β晶界上和原来的α相的界面上形核,聚合成等轴的α组织,与p转变组织构成等轴的(α+β)组织。


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