化学热处理改善 Ti-6Al-4V 钛合金耐空蚀性能的研究.pdf

文章编号: ( ) 化学热处理改善T i A l V钛合金耐空蚀性能的研究 李海斌, 崔振铎, 李朝阳, 朱胜利, 杨贤金 ( 天津大学 材料科学与工程学院, 天津 ) 摘要:利用渗氮、 渗碳和碳氮共渗种化学热处理 方法对T i A l V钛合金表面进行改性, 制备出种 不同成分的硬质表面层.利用S EM、X R D和V i c k e r s 显微硬度仪分别对种表面层的微观形貌和结构、 化 学组成、 显微硬度进行了表征, 并利用磁致伸缩振动空 蚀设备研究了表面层的耐空蚀性能.结果表明通过 种化学热处理均在T i A l V钛合金表面形成了致密 的硬质陶瓷层.该硬质陶瓷层在空蚀过程中可以抑制 裂纹在表面过早的形成和向基体扩展, 从而延长了空 蚀的孕育期和显著地改善了钛合金的耐空蚀性能. 关键词:钛合金; 化学热处理; 显微组织; 表面层; 耐 空蚀 中图分类号:T G 文献标识码: A D O I: / j i s s n 引言 钛合金具有诸如密度小、 比强度、 比断裂韧性高、 抗裂纹扩展能力强和耐蚀性能优异等特点, 已广泛应 用于航天、 化工、 船舶、 汽车、 石油天然气, 以及食品、 医 疗设备等工程 .然而, 当钛合金用作高速螺旋桨、 高速潜艇、 水翼、 水泵、 阀门、 水轮机过流部件和发动机 缸体等各种设备、 器件时, 均有空蚀现象发生 .空 蚀是由于液体内局部压力起伏变化而引起的蒸汽泡形 核、 生长和溃灭的空化过程对材料所造成的损害和破 坏 .为此, 对钛合金表面层进行改性、 强化以提高其 抗空蚀能力的表面处理技术也应运而生, 如激光表面 熔化 、 激光表面渗氮 、 激光表面熔覆 、 等离子 喷涂 、 电弧喷涂 等.这些表面技术主要是在钛合 金表面合成层致密、 无缺陷的硬质表面层或硬质涂 层, 以减缓空蚀的破坏, 延长材料使用寿命.虽然这些 表面处理技术在一定程度上提高了钛合金抗空蚀能 力, 但是却存在着仪器设备昂贵、 成本高、 操作复杂、 对 材料形状有严格要求等缺点, 从而限制了这些技术在 工程实践中的应用. 本文采用简单的化学热处理, 包括渗氮、 渗碳和碳 氮共渗, 在钛合金表面制备了硬质陶瓷层, 考察了陶瓷 层的微观结构、 化学组成和显微硬度, 并且利用磁致伸 缩振动空蚀设备研究了表面层的耐空蚀性能, 为钛合 金耐空蚀性能的表面改性技术的进步提供参考. 实验 试样制备 材料预处理 实验用钛合金为T i A l V合金, 其化学成分为 A l: ;V: ;F e: ;C: ;N: ;O: ; H: 和T i: 余量.实验前, 材料被加工成 mm mmmm, 随后打磨抛光至表面粗糙度为Ra m, 并清洗干燥待用. 化学热处理 采用渗氮、 渗碳、 碳氮共渗种化学热处理对T i A l V钛合金进行表面处理.()渗氮处理过程, 将 预处 理 后 的 试 样 放 置 在 管 式 炉 中,通 入 纯 度 为 的N气( 流速为 m L/m i n) , 以 /m i n 的升温速度加热至 并保温h, 最后随炉冷 却; ( )渗碳处理过程, 将预处理后的试样包埋于活性 炭中( 粒径为 m) 并放置于管式炉, 通入 纯度为 的A r气, 以 /m i n的升温速度加热 至 并保温 m i n以去除活性炭中的水分和残 余的 氧 气, 随 后 以 /m i n的 升 温 速 度 加 热 至 并保温h, 最后随炉冷却; ()碳氮共渗处理 过程, 将预处理后的试样包埋于活性炭中并放置于管式 炉, 通入纯度为 的N气( 流速为 m L/m i n) , 以/m i n的升温速度加热至 并保温 m i n 以去 除 活 性 炭 中 的 水 分 和 残 余 的 氧 气,随 后 以 /m i n的升温速度加热至 并保温h, 最 后随炉冷却. 结构与成分表征 采用日本R I GAK公司的DMA X 型X射线 衍射仪对表面层进行物相分析, C uK , n m, 步长为 , 角度范围为 .采用日本H I T A CH I公司的S 型高分辨场发射扫描电镜对表面 层进行表面和截面形貌观察.利用NH LV i c k e r s显 微硬度仪对表面层表面硬度分布进行分析, 载荷为 N, 每个试样测试个点, 取平均值. 空蚀性能测试 采用磁致伸缩振动空蚀设备, 以A S TMG 为 年第期( ) 卷 收到初稿日期: 收到修改稿日期: 通讯作者: 崔振铎,E m a i l:z d c u i t j u e d u c n 作者简介: 李海斌( ) , 男, 安徽黄山人, 在读博士, 师承崔振铎教授, 从事钛合金表面修饰、 改性研究. 标准对未处理和处理后试样进行空蚀性能测试 . 空蚀设备的运行参数为超声波发生器的功率 W; 振动的振幅 m; 振动频率 k H z; 试样与振动头 距离( )mm; 测试环境为去离子水; 测试温 度( ).由于材料耐空蚀性能对表面粗糙度敏 感, 因而测试前, 所有被测试样进行细心打磨至表面粗 糙度为Ra m并清洗和称重.为了表征材料的 耐空蚀性能, 测试记录材料的累积失重.每隔一定的 测试时间取出试样进行清洗、 干燥和称重, 并更换去离 子水. 结果与讨论 表面形貌表征及显微硬度分析 图为T i A l V钛合金化学热处理后的X R D 衍射谱线图.从图可以看出, 原始的钛合金由 T i 相和少量的 T i相组成.化学热处理后, 少量的 T i 相对应的X射线衍射峰消失; 同时, 由于C、N原子固 溶于 T i相导致其晶格膨胀, 使得 T i对应的衍射峰 向低角度方向有所偏移.渗氮处理后, 钛合金表面形 成了T i N和T i N两种氮化物; 渗碳处理后, 钛合金表 面则形成T i C相; 碳氮共渗处理后, 在X R D衍射谱线 中, 除了有强度较弱的T i N衍射峰外, 在 , 和 处都可以发现较明显的衍射峰.与 T i N和T i C的标准X衍射谱对比发现, 这些衍射峰仅 不对应于T i N, 也不对应于T i C.图为碳氮共渗处 理后截面E D S能谱分析图.从图可以看出, 碳氮共 渗处理后, 钛合金表面形成了不同于基体的厚度约为 m的表面层.通过截面E D S线扫描能谱分析可 知, 该表面层含有 ( 摩尔分数) 的T i元素, ( 摩尔分数) 的N元素和 ( 摩尔 分数) 的C元素.上述结果表明, 碳氮共渗处理后钛合 金表面形成了碳氮化钛(T i( C,N) ) , 而非T i N和T i C. 通过J A D E软件计算可得该T i(C,N) 的晶格常数为 n m, 介于T i C( n m) 和T i N( n m) 的晶格常数之间 . 图未处理和化学热处理后T i A l V钛合金试样 的X射线衍射谱 F i gX R Dp a t t e r n so f t h ea s r e c e i v e da n dt r e a t e dT i A l Va l l o y 图碳氮共渗处理T i A l V钛合金试样截面能谱 分析 F i gE D Sa n a l y s i so f t h eT i A l Va l l o yt r e a t e db y c a r b o n i t r i d i n g 图为化学热处理后T i A l V钛合金表面形貌 的S EM图. 图化学热处理后T i A l V钛合金的表面形貌(S EM) F i gS u r f a c e i m a g e so fT i A l Va l l o yt r e a t e db yt h e r m o c h e m i c a l t r e a t m e n t 图(a)(c) 分别为渗氮、 渗碳、 碳氮共渗处理后表 面形貌.图明显证明了通过化学热处理可以在钛合 金表面形成致密的陶瓷层.其中, 还可以看出包埋渗 碳和包埋碳氮共渗处理后的陶瓷层表面较粗糙, 晶粒 明显.由表可以得到, 化学热处理后钛合金表面粗 糙度有所变化, 其结果与表面形貌观察基本吻合.气 体渗氮的材料表面粗糙度变化不大, 然而包埋渗碳和 包埋碳氮共渗粗糙度有所增加.这可能是由于包埋扩 散的不均匀性和杂质粘附的影响.图为化学热处理 后钛合金截面形貌的S EM图.图(a) (c) 分别为渗 氮、 渗碳、 碳氮共渗处理得到的截面形貌.图表明, 种化学热处理后, 钛合金截面组织形貌由部分组成: 表面层、 扩散层和基体.表面层为硬质的陶瓷层.硬 度测试结果表明, 原始未处理的T i A l V钛合金试 李海斌 等: 化学热处理改善T i A l V钛合金耐空蚀性能的研究 样的硬度约为 H v, 经化学热处理后其表面硬度得 到提高, 约为倍( 表) .扩散层为C、N固溶的 T i 相.此外, 在该扩散层中可以发现, 原始的 T i相已 完全消失.这是由于C、N元素为 T i相的稳定元 素, C和N原子扩散入基体中导致 T i相发生相变, 转变成 T i相 .这也进一步证明了该区域为 C、N 扩散层.此外, 可以发现气体渗氮和碳氮共渗处理得 到的陶瓷层比包埋渗碳得到的陶瓷层显得更加致密和 均匀, 这是因为气体扩散均匀, 有利于陶瓷层的均匀形 成. 表不同化学热处理后T i A l V钛合金的表征参数 T a b l eC h a r a c t e r i s t i co f t h eT i A l Va l l o yt r e a t e db yt h e r m o c h e m i c a l t r e a t m e n t T h e r m o c h e m i c a l t r e a t m e n t sN i t r i d i n gt r e a t m e n tC a r b u r i z i n gt r e a t m e n tC a r b o n i t r i d i n gt r e a t m e n t S u r f a c ec o m p o s i t i o nT i,T i N,T iNT i,T i CT i,T i(C,N) ,T iN S u r f a c er o u g h n e s sRa/m S u r f a c e l a y e r t h i c k n e s s/m D i f f u s i o nz o n e t h i c k n e s s/m S u r f a c eh a r d n e s s/H v B a s em e t a l h a r d n e s s/m 图化学热处理后T i A l V钛合金的截面形貌(S EM) F i gC r o s s s e c t i o n a l i m a g e so fT i A l Va l l o yt r e a t e db yt h e r m o c h e m i c a l t r e a t m e n t 空蚀性能分析 图给出了化学热处理后T i A l V钛合金空蚀 累计失重随空蚀时间的变化曲线.由图可以看出, 原始未经处理的T i A l V钛合金试样h空蚀测试 后累计失重最大, 其空蚀孕育期 为 h.经过化学 热处理后, 钛合金的累计失重量得到大大的降低, 空蚀 孕育期也得到了显著的提高.其中, 渗氮处理后钛合 金试样具有最小的累积失重量.观察曲线可以发现 h空蚀后, 其仍处于空蚀的孕育期. 图未处理和化学热处理后T i A l V钛合金试样 空蚀测试累计失重曲线 F i gC u m u l a t i v ew e i g h tl o s so ft h ea s r e c e i v e da n d t r e a t e dT i A l Va l l o y 图为化学热处理后钛合金试样的耐空蚀性能与 原始未处理钛合金试样耐空蚀性能的比值.由图可 以看出, 化学热处理后,T i A l V钛合金的耐空蚀性 能得到了显著的提高, 其中渗氮处理约为 倍, 渗碳 处理约为 倍, 碳氮共渗约为倍.空蚀破坏是因 空泡溃灭时所产生的冲击波或微射流对材料的表面局 部作用而引起的, 因而微裂纹往往起始于表面 . 化学热处理在钛合金表面形成的致密陶瓷层可以有效 地阻止裂纹过早的生成, 同时也抑制了裂纹向基体深 处扩展, 从而延长了空蚀的孕育期, 也提高了耐空蚀能 力.包埋渗碳处理得到钛合金试样的耐空蚀性能最 低, 这可能是由于该试样的陶瓷层的不均匀性和内部 缺陷过多所导致. 图化学热处理后T i A l V钛合金试样耐空蚀性 F i gN o r m a l i z e dc a v i t a t i o ne r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h e t r e a t e dT i A l Va l l o y 综上表明,种不同化学热处理得到的陶瓷层均 可以显著地改善T i A l V钛合金的耐空蚀性能.此 外, 由图可以发现, 与激光表面熔覆 和电弧喷 涂 处理比较, 化学热处理改善 T i A l V钛合金耐 年第期( ) 卷 空蚀性能的效果更加明显.激光表面熔覆 生成的 涂层微观组织的不均匀和电弧喷涂 得到的涂层致 密性差是导致耐空蚀性能提高效果不明显的主要原 因.虽然激光氮化 显著提高了钛合金耐空蚀性能, 但是其加工过程复杂, 对试样形状要求很高, 难以实际 工程应用. 图为原始未处理T i A l V钛合金h空蚀后 的表面形貌.空蚀后, 钛合金表面变得十分粗糙, 金属 光泽消失, 颜色呈暗灰色, 表面因严重塑性形变而产生 大量的 大 小 不 均 的 微 小 坑 洞 和 微 裂 纹, 呈 现 海 绵 状 .图为化学热处理后 T i A l V钛合金h空 蚀后的表面形貌.图(a) (c) 分别代表渗氮、 渗碳、 碳 氮共渗处理.由图可以看出, 经种化学热处理的 钛合金试样在h空蚀测试后, 测试试样的表面变化 不大, 大部分的陶瓷层被保留下来, 部分陶瓷层被剥落 形成了微小的坑洞.综上表明, 化学热处理在T i A l V钛合金表面上得到的致密的硬质陶瓷层可以有效 地保护基体材料, 提高材料的耐空蚀性能. 图未处理T i A l A l钛合金空蚀h后表面形貌(S EM) F i gS u r f a c e i m a g e so f t h ea s r e c e i v e dT i A l Va l l o ya f t e rho f c a v i t a t i o ne r o s i o nt e s t 图化学热处理后T i A l V钛合金空蚀h后表面形貌(S EM) F i gS u r f a c e i m a g e so f t h e t r e a t e dT i A l Va l l o ya f t e rho f c a v i t a t i o ne r o s i o nt e s t 结论 采用气体渗氮、 包埋渗碳、 碳氮共渗种化学热处 理工艺, 在T i A l V钛合金表面形成了层致密的 陶瓷层, 其显微硬度得到显著的提高, 约为倍.陶瓷 层可以有效地抑制裂纹的形成和阻止裂纹的扩展, 故 使T i A l V钛合金耐空蚀性能得到了显著的提高. 其中渗氮处理提高了 倍, 渗碳处理提高了倍, 碳氮共渗提高了 倍.研究结果将为改善钛合金耐 空蚀的表面改性技术提供参考, 为进一步拓展钛合金 在空蚀环境下应用提供可靠性技术依据. 参考文献: K e n tD,W a n gG,W a n g W,e ta l I n f l u e n c eo fa g e i n g t e m p e r a t u r ea n dh e a t i n gr a t eo n t h ep r o p e r t i e s a n dm i c r o s t r u c t u r eo fT i a l l o y,T i C r M o V A lJ M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A, , : L i u H o n g t a o,D e n gC h a n g c h e n g F e a s i b i l i t yo fT ia l l o y p l a t i n gN i u s e di nt h ea i ri n d u s t r yJ J o u r n a lo fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s, , () : K r e l l aAK C a v i t a t i o ne r o s i o nr e s i s t a n c eo fT i/T i N m u l t i l a y e rc o a t i n g sJ S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y, , ( ) : L i a nF e n g,Z h a n gH u i c h e n,G a oY u z h o u,e ta l I n f l u e n c e o f s u r f a c et e x t u r ea n ds u r f a c ef i l mo nc a v i t a t i o ne r o s i o n c h a r a c t e r i s t i c so fT i A Va l l o yJ R a r eM e t a lM a t e r i a l sa n dE n g i n e e r i n g, , () : H u a n gL,F o l k e sJ,K i n n e l lP,e ta l M e c h a n i s m so f d a m a g e i n i t i a t i o ni nat i t a n i u m a l l o ys u b j e c t e dt ow a t e r d r o p l e t i m p a c td u r i n gu l t r a h i g hp r e s s u r ep l a i nw a t e r j e t e r o s i o nJ J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y, , () : L i uQ i a n g,L iB o,C h e nX i z h a n g,e ta l S t u d yo na nC r C o N i M na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l f o rc a v i t a t i o ne r o s i o n J J o u r n a lo fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s, , () : K a r i m iA,M a r t i nJL C a v i t a t i o ne r o s i o no fm a t e r i a l s J I n t e r n a t i o n a lM a t e r i a l sR e v i e w s, , () : C u iZD,M a nHC,C h e n gFT,e t a l C a v i t a t i o ne r o s i o n 李海斌 等: 化学热处理改善T i A l V钛合金耐空蚀性能的研究 c o r r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rs u r f a c e m o d i f i e d N i T i s h a p em e m o r ya l l o yJ S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y, , () : M a nH C,C u iZD,Y u eT M,e ta l C a v i t a t i o ne r o s i o n b e h a v i o ro f l a s e rg a sn i t r i d e dT ia n dT i A l Va l l o yJ M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A, , () : R o b i n s o nJM,A n d e r s o nS,K n u t s e nRD,e t a l C a v i t a t i o ne r o s i o no f l a s e rm e l t e da n d l a s e rn i t r i d e dT i A l V JM a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y, , () : D u r a i s e l v a m M,G a l u nR,W e s l i n gV,e ta l C a v i t a t i o n e r o s i o nr e s i s t a n c eo fT i A l Vl a s e ra l l o y e dw i t hT i C r e i n f o r c e dd u a l p h a s e i n t e r m e t a l l i cm a t r i xc o m p o s i t e sJ M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A, , : S t e l l aJ,S c h l l e rE,H e i n gC,e t a l C a v i t a t i o ne r o s i o n o fp l a s m a s p r a y e dN i T ic o a t i n g sJ W e a r, , ( ) : M a n nBS,A r y aV,P a n tBK C a v i t a t i o ne r o s i o nb e h a v i o ro fH P D L t r e a t e dTWA S c o a t e d T i A l Va l l o ya n d i t ss i m i l a r i t yw i t hw a t e rd r o p l e te r o s i o nJ J o u r n a lo f M a t e r i a l sE n g i n e e r i n ga n dP e r f o r m a n c e, , () : A S TM G S t a n d a r dt e s tm e t h o df o rc a v i t a t i o ne r o s i o nu s i n gv i b r a t o r ya p p a r a t u sS S h a f i e eA M,K h o r s h a h i a nS,S h a r i f i t a b a rM S y n t h e s i s o fT i(C,N)c e r a m i c l a y e r o ns u r f a c eo fT i A l Va l l o y v i ap a c kn i t r o c a r b u r i z i n gr o u t eJ S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y, , ( ) : L e eDB,P o h r e l y u kI,Y a s k i vO,e ta l G a sn i t r i d i n g a n d s u b s e q u e n t o x i d a t i o n o f T i A l V a l l o y sJ N a n o s c a l eR e s e a r c hL e t t e r s, ,() : F o r t e sPR,C h o f f a tT,R e b o u dJL,e ta l M a s sl o s s s i m u l a t i o ni nc a v i t a t i o ne r o s i o n:f a t i g u ec r i t e r i o na p p r o a c hJ W e a r, , ( ) : Y a n gZ h e n g,T i a nJ i e m o C a v i t a t i o ne r o s i o no f s t r u c t u r a l c e r a m i c sJ J o u r n a lo fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s, , ( ) : L iH,C u iZ,L iZ,e ta l E f f e c to fg a sn i t r i d i n gt r e a t m e n t o nc a v i t a t i o ne r o s i o nb e h a v i o r o f c o mm e r c i a l l yp u r e T i a n dT i A l Va l l o yJ S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y, , ( ) : I m p r o v i n gc a v i t a t i o ne r o s i o nr e s i s t a n c eo fT i A l V a l l o yb y t h e r m o c h e m i c a l t r e a t m e n t s L IH a i b i n,C U IZ h e n d u o,L IZ h a o y a n g,Z HUS h e n g l i,YAN GX i a n j i n ( S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c et h e r m o c h e m i c a l t r e a t m e n t s;m i c r o s t r u c t u r e;s u r f a c e l a y e r;c a v i t a t i o ne r o s i o nr e s i s t a n c e 年第期( ) 卷