钛及钛合金表面改性技术研究进展_冯明佳.pdf

2 0 2 3年第9期产业研究钛及钛合金表面改性技术研究进展冯明佳(吉林农业科技学院机械与土木工程学院,吉林省 吉林市 1 3 2 1 0 1)摘 要:钛及钛合金由于其具有良好的特殊性能,应用领域也越来越广泛。但由于钛合金耐磨性比较弱,存在一定的缺陷,这又会限制其进一步拓宽发展领域。为了解决钛及钛合金使用范围等问题,众多科学家进行了大量的研究。本文从钛及钛合金表面改性技术研究进展出发,阐述传统和先进的表面处理技术研究,以及其相应的未来展望。关键词:钛合金;表面改性;研究进展 中图分类号:T G 1 4 6.2+3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 1 0 6-0 3P r o g r e s s i nS u r f a c eM o d i f i c a t i o no fT i t a n i u ma n dT i t a n i u ma l l o y sF e n gM i n g-j i a(J i l i nA g r i c u l t u r a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yU n i v e r s i t yM e c h a n i c a l a n dC i v i lE n g i n e e r i n gC o l l e g e,J i l i nJ i l i n1 3 2 1 0 1)A b s t r a c t:T i t a n i u ma n dt i t a n i u ma l l o y sh a v eb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo f t h e i rg o o ds p e c i a l p r o p e r t i e s.H o w-e v e r,d u e t o t h ew e a kw e a r r e s i s t a n c eo f t i t a n i u ma l l o y,t h e r e a r e s o m ed e f e c t s,w h i c hw i l l l i m i t i t s f u r t h e rd e v e l-o p m e n t.I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e m ss u c ha s t h es c o p eo fu s eo f t i t a n i u ma n dt i t a n i u ma l l o y s,m a n ys c i e n t i s t sh a v ec a r r i e do u t al o to fr e s e a r c h.A tp r e s e n t,s u r f a c em o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h ee f f e c t i v ew a y s t o s t r e n g t h e n t h e s u r f a c ep r o p e r t i e so f t i t a n i u ma n d t i t a n i u ma l l o y s.T h i sp a p e rd e s c r i b e s t h e t r a d i t i o n a l a n da d v a n c e ds u r f a c e t r e a t m e n t t e c h n o l o g yr e s e a r c h,a sw e l l a s i t sc o r r e s p o n d i n gf u t u r ep r o s p e c t s.K e yw o r d s:T i t a n i u ma l l o y s;S u r f a c em o d i f i c a t i o n;R e s e a r c hp r o g r e s s基金项目:吉林省教育厅科学技术研究项目(项目号:J J KH 2 0 2 2 0 3 8 7 K J):激光表面改性提高钛合金耐磨性能机理研究作者简介:冯明佳(1 9 8 7),女,汉族,硕士研究生,讲师,研究方向:机械制造技术。1 引言钛属于轻金属,具有良好的延展性、易导电、导热。同时,钛也具有良好的耐腐蚀性和耐低温性1。纯钛当中T A 2牌号在工业当中使用最为广泛,主要应用于制造各种非承力结构件,同时工业纯钛还可用于生物植入材料2。钛合金是多种用钛与其他金属制成的合金金属,其具有强度高、耐蚀性好、密度低、低温性能好,在低温和超低温下,仍能保持其力学性能、生物相容性好等多种良好特殊性能,自从问世以来已经成为一种重要的结构材料,其在航空航天、海洋、汽车、装甲和生物医学设备中得到越来越多的应用3-9。表1 适用于汽车的低成本钛合金品种1 1N o.C o m p o s i t i o n1T i-6 A l-1.7 F e-0.1 8 O-0.1 S i2T i-6 A l-2.7 S n-4 Z r-0.4 M o-0.4 5 S i3T i-4.5 F e-6.8 M o-1.5 A l4T i-3 A l-2 V5Y i-6 A l-2 F e-0.1 S i6T i-4.5 A l-3 V-2 M o-2 F e7T i-4.5 F e-7 M o-1.5 A l-1.5 V8T i-3 A l-2 V-0.2 S-0.4 7 C e-0.2 7 L a9T i-4.5 A l-F e-6.8M o1 0T i-3 A l-8 V-6 C r-4 M o-4 Z r 钛合金在汽车领域的应用一般是在引擎系统,由钛合金制成的零部件具有一定的优异性,其质量轻,对于汽车发动机转速和燃油性有一定的提升,发动机的性能也会有很大的改善1 0。表1为适用于汽车的钛合金品种,表2为钛合金零部件在引擎系统中的应用。钛及钛合金由于其性能优异,常广泛应用于高精尖技术领域。但在某些工作环境下,其也存在一定的缺点和问题,如硬耐磨性差、抗氧化能力差等;钛及钛合金发展应用也由于这些缺点而受到一定的限制1 2-1 3。目前,解决钛及钛合金应用受限的常用方法是表面改性技术。表2 钛合金零部件在引擎系统中的应用1 0部件名称材料使用案例钛合金连杆T i-3 A l-2 V(L a,C e)S本田汽车N X-V 6进气阀T i-6 A l-2 C r-4 VT o y o t aA l t e z a排气阀T i-8 3 4+BI n f i n i t yQ 4 5发动机气门T i-6 A l-4 V日本日立公司气门弹簧座T i-2 2 V-4 A l三菱钛合金弹簧T i-3 V 1 1 C-3 A lT i m e t涡轮增压器M i t s u b i s h i回气管钛制T i m e t2 传统的表面改性方法随着钛和钛合金的使用日益增长,为了提高钛和钛合金的表面性能来满足不同使用环境下需求,在过去的几十年里,各种传统表面改性技术得到发展和应用。本文主要针对传统表面改性方法中的喷丸处理、热喷涂以及中电化学处理进行介绍。601DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.008内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n2.1 喷丸处理喷丸处理是将大量0.2 5-1毫米大小的硬质钢球以一定速度撞击材料表面,在表面产生塑性变形,可以得到了晶粒细化的表面改性层1 4-1 6。喷丸处理包含一般喷丸和应力喷丸,设备简单,成本低廉,操作比较方便。喷丸强化的钛和钛合金的硬度和耐磨性也得到了提高,是一种常用的钛合金表面改性技术之一。将普通喷丸技术与其他表面处理技术复合应用,可以进一步提高钛合金的耐疲劳性。T s u j i等1 7通过等离子体渗碳与喷丸强化相结合技术研究其对T C 4合金疲劳磨损性能的影响,发现其可以有效改善渗碳处理T C 4合金的表面残余应力状态,使合金的疲劳寿命提高,如图1所示。图1 未处理、渗碳(P C)、喷丸(S P)和喷丸渗碳(P C+S P)试样的S-N曲线1 72.2 热喷涂热喷涂首先喷料熔化,而后再将喷料雾化成颗粒,并以高速喷射到基体表面形成涂层。热喷涂法经济、方便,是目前应用最广泛的表面微合金化方法之一。它能在热作用下将原料熔化以覆盖T i基板,通过使用预先确定的参数集对软化或熔化的原料进行连续沉积,一层一层地制备涂层,可以在基体上制备各种表面合金涂层。热喷涂可以获得不同性能基体表面,常见有耐磨、耐腐蚀、抗氧化等。在高温氧化环境下,合金涂层被氧化成致密的保护性氧化垢,能够抑制氧和金属离子的相互扩散,从而提高钛合金和钛铝合金的高温抗氧化性1 8。2.3 电化学处理电化学处理是基于发生在T i和T i合金表面的化学反应而发展起来的。此方法中电源必不可少,电化学反应受一些工艺参数的控制,如:电解液和电位、电流、温度等。一般来说,电化学处理包括电解抛光、阳极氧化、电沉积和电镀。主要简单介绍阳极氧化阳极氧化是金属和合金的电化学氧化,可在金属材料上制备不同氧化膜的普遍方法1 9。对于钛和钛合金,常用的阳极氧化的电解溶液有硫酸、磷酸、醋酸、铬酸等。钛合金表面阳极氧化膜的主要是增强其附着力和耐磨性,同时使钛合金更好服务于航空航天和电子工业。3 先进的表面改性方法由于新工艺技术的发展,近几年来出现了大量先进的表面改性技术,如搅拌摩擦处理、激光表面改性和离子注入等。这些先进的表面改性方法可以进一步提高钛合金的表面性能及拓宽其应用领域。3.1 离子注入离子注入是在真空中将高能带电离子束射向金属近表层,使其形成新的表面改性层2 0。根据离子来源的不同,钛和钛合金表面可形成氧离子注入层、氮离子注入层、碳离子注入层等不同的层。氧离子注入技术已广泛应用于金属材料中,以改善金属的力学和生物性能。许多学者都研究证实钛和钛合金在耐磨性、耐腐蚀性方面的性能在氧离子注入后得到了改善。M o h a n等2 1发现T i-1 3 N b-1 3 Z r在氧离子注入后,其耐磨性和耐腐蚀性同时增强。如图2所示,与未处理的T i-1 3 N b-1 3 Z r相比,氧离子注入的T i-1 3 N b-1 3 Z r有明显的浅划痕。同理,氮离子、碳离子注入也可以提高钛和钛合金的表面性能。碳离子注入可以使T i6 A l4 V的硬度增加两倍以上,这是因为形成了T i C沉淀或T i C层2 2。图2 未处理的T i-1 3 N b-1 3 Z r和b)注入氧离子的T i-1 3 N b-1 3 Z r在3、5和1 0N载荷下的磨损轨迹分布2 13.2 激光表面改性激光束具有高相干性和方向性,常用于许多金属的表面改性。激光表面重熔和激光熔覆是常用激光表面改性的两种方法2 3。激光表面重熔将工件表面用高能密度激光束熔化后立即固 化。激 光 重 熔T i衬 底 的 表 面 上 形 成 覆 盖 有 薄T i O2层的精细马氏体结构,这两者都具有比底层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钛和钛合金耐磨性和耐蚀性的一种简单方法。激光熔覆利用高能密度的激光束让基体表面和熔覆材料(预先添加在基体表面或是与激光束同步输送)熔凝,从而与基体形成冶金结合,激光熔覆工艺示意图如图3所示。研究结果表明用N i C o C r A l Y来提高T i6 A l4 V的硬度和耐磨性,激光熔覆产生的涂层硬度是T i-6 A l-4 V基底的两倍。同时激光熔覆改变钛合金表面性能也存在一些问题,由于熔覆材料和基体表面重熔和凝固过程中产生的残余应力,会使产生的涂层会出现裂纹。因此,始终需要优化加工参数。图3 激光熔覆工艺示意图7012 0 2 3年第9期3.3 物理气相沉积物理气相沉积包括真空蒸镀、离子镀等,是一种气化沉积成膜的方法。真空蒸镀,在真空条件下,在基体表面使镀膜材料凝聚成膜的方法。在混合N2和O2气流中蒸发T i合成T i N和T i O2复合涂层。此复合涂层与其他表面改性方法制备的涂层相比,基体具有更高的硬度和耐磨性。离子镀是一种使用高能粒子轰击衬底表面并沉积薄膜的工艺。在T i-6 A l-4 V上沉积T i S i N膜,实验结果表明,在1 0V的负偏压下制备的T i S i N薄膜在海水中具有最佳的耐磨性。4 总结钛合金有许多表面改性技术,选择适合其具体应用的表面技术尤其重要。采用适合的表面改性技术可以保持以及提高基体材料在不同应用环境下的良好表面性能。这些表面改性技术在一定条件下还是会存在某些问题,当前除了表面涂层制备方法外,涂层材料也是至关重要的一个因素,目前很多学者都在努力研制新型涂层材料,以此来进一步改善钛和钛合金的表面性能,使其适用多种不同环境改性层的性能。因此,可以展望未来将会有更多种新型表面改性方法,以实现T i和T i合金的更好性能和更广泛的应用。参考文献:1 张宝昌.有色金属及其热处理M.西安:西北工业大学出版社,1 9 9 3.2 陈宇海.钛及钛合金脉冲等离子体爆炸表面改性研究D.南昌航空大学,2 0 1 9.3 张新,刘鸿羽,车昶,谢华生,赵军,刘时兵,刘宏宇,张爱博.钛 合 金 低 成 本 成 形 技 术 研 究 进 展 J.铸 造,2 0 2 1,7 0(1 0):1 1 4 1-1 1 4 8.4Z h u Y Y,L i uD,T i a n X J,T a n g H B,W a n g HM.C h a r a c t e r i z a t i o no fm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p-e r t i e so fl a s e rm e l t i n gd e p o s i t e dT i-6.5 A l-3.5M o-1.5 Z r-0.3 S i t i t a n i u ma l l o y.M a t e rD e s2 0 1 4;5 6:4 4 5-5 3.5W a n gQ,Z h a n gP Z,W e iD B,C h e nXH,W a n gR N,W a n gHY,e ta l.M i c r o s t r u c t u r ea n ds l i d i n gw e a rb e-h a v i o ro fp u r et i t a n i u m s u r f a c e m o d i f i e db yd o u b l e-g l o w p l a s m as u r f a c ea l l o y i n g w i t h N b.M a t e r D e s2 0 1 3;5 2:2 6 5-7 3.6G a n e s hB K C,S h aW,R a m a n a i a hN,K r i s h n a i a hA.E f f e c to fs h o t p e e n i n go ns l i d i n gw e a ra n dt e n s i l eb e-h a v i o ro f t i t a n i u mi m p l a n t a l l o y s.M a t e rD e s 2 0 1 4;5 6:4 8 0-6.7 王欣,罗学昆,宇波,汤智慧.航空航天用钛合金表面工程技术研 究 进 展J.航 空 制 造 技 术,2 0 2 2,6 5(0 4):1 4-2 4.8 李芳婷,王恺婷,李春波,巨朝飞.钛及钛合金表面增强技术 的 研 究 进 展 J.世 界 有 色 金 属,2 0 2 1(1 6):1 0 9-1 1 0.9 郭小汝,陈百明,贾金龙,胡伟,张振宇.处理方法对钛合金摩擦磨损性能影响的研究进展J.粉末冶金工业,2 0 2 1,3 1(0 2):9 7-1 0 3.1 0 杨甄鑫,廖抒华.轻质合金在汽车轻量化中的应用J.汽车零部件,2 0 2 1(0 1):1 0 7-1 1 3.1 1李中.钛及钛合金在汽车上的应用C/.第十四届全国钛及钛合金学术交流 会 论 文 集(下 册).2 0 1 0:4 8 3-4 8 7.1 2B u d i n s k iKG.T r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f t i t a n i u ma l-l o y sJ.W e a r,1 9 9 1,1 5 1(2):2 0 3-2 1 7.1 3 刘凤岭,李金桂,冯自修.钛合金表面技术的进展J.腐蚀与防护,2 0 0 1,2 2(2):5 4-5 7.1 4M.T h o m a s,T.CL i n d l e y,D.R u g g,M.J a c k s o n,T h ee f f e c to fs h o tp e e n i n go nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fan e a r-a l p h at i t a n i u m a l l o yf o l l o w i n gh i g ht e m p e r a t u r ee x p o s u r e,A c t aM a t e r i a l i a2 0 1 2,6 0(1 3-1 4),5 0 4 0-5 0 4 8.1 5O r t i z,A.L.,T i a n,J.-W.,S h a w,L.L.,&L i-a w,P.K.E x p e r i m e n t a l s t u d yo f t h em i c r o s t r u c t u r ea n ds t r e s s s t a t eo f s h o t p e e n e da n ds u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t e d n i c k e la l l o y s.S c r i p t a M a t e r i a l i a,2 0 1 0,6 2(3),1 2 9-1 3 2.1 6B.H a d z i m a,F.P a s t o r e k,K.B o r k o,S.F i n t o v,D.K a j n e k,S.B a g h e r i f a r d,M.G h o l a m i-K e r m a n-s h a h i,L.T r?k o,J.P a s t o r k o v,J.B r e z i n a,S u r f.C o a t.T e c h n o l.2 0 1 9,3 7 5,6 0 8.1 7T s u j i,N.,T a n a k a,S.,&T a k a s u g i,T.E f f e c t so fc o m b i n e dp l a s m a-c a r b u r i z i n ga n ds h o t-p e e n i n go nf a t i g u ea n dw e a r p r o p e r t i e s o fT i-6 A l-4 Va l l o y.S u r f a c e a n dC o a t-i n g sT e c h n o l o g y,2 0 0 9,2 0 3(1 0-1 1),1 4 0 0-1 4 0 5.1 8D a i,J i n g j i e,W e n g,e ta l.H i g ht e m p e r a t u r eo x i d a-t i o nb e h a v i o ra n dr e s e a r c hs t a t u so fm o d i f i c a t i o n so ni m p r o v i n gh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n c eo f t i-t a n i u ma l l o y sa n dt i t a n i u ma l u m i n i d e s:Ar e v i e wJ.J o u r n a lo fA l l o y sa n dC o m p o u n d s:A nI n t e r d i s c i p l i-n a r yJ o u r n a lo f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d S o l i d-s t a t eC h e m i s t r ya n dP h y s i c s,2 0 1 6,6 8 5:7 8 4-7 9 8.1 9Z a r a s k a,L.,G a w l a k,K.,G u r g u l,M.,G i l e k,D.,K o z i e,M.,S o c h a,R.P.,&S u l k a,G.D.M o r p h o l-o g yo fn a n o p o r o u sa n o d i cf i l m sf o r m e do nt i nd u r i n ga-n o d i co x i d a t i o n i n l e s s c o mm o n l yu s e da c i d i c a n da l k a l i n ee l e c t r o l y t e s.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.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.2 0 1 9,3 6 2,1 9 1-1 9 9.2 0 陈步明,郭忠诚.化学镀研究现状及发展趋势J.电镀与精饰,2 0 1 1,3 3(1 1):1 1-1 5+2 5.2 1M o h a nL,A n a n d a nCW e a r a n dc o r r o s i o nb e h a v i o ro fo x y g e n i m p l a n t e db i o m e d i c a l t i t a n i u ma l l o yT i-1 3 N b-1 3 Z r.A p p lS u r fS c i 2 0 1 3,2 8 2:2 8 1-2 9 0.2 2V i v i e n t eJL,G a r c i aA,L o i n a zA,e ta l.C a r b o nl a y e r s f o r m e do ns t e e l a n dT i a l l o y sa f t e r i o ni m p l a n-t a t i o no fC+a tv e r yh i g hd o s e sJ.V a c u u m,1 9 9 9,5 2(1-2):1 4 1-1 4 6.2 3S i d d i q u i,A.A.,D u b e y,A.K.,&P a u l,C.P.As t u d yo fm e t a l l u r g ya n de r o s i o ni nl a s e rs u r f a c ea l l o-y i n go fA l x C u 0.5 F e N i T ih i g he n t r o p ya l l o y.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.2 0 1 9,3 6 1,2 7.801