中国有色金属学报 2003,(02),319-322 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.02.008

基体温度对Ti6Al4V表面渗Mo合金层性能的影响

李秀燕 范爱兰 唐宾 潘俊德 田林海 徐重

太原理工大学表面工程研究所,太原理工大学表面工程研究所,太原理工大学表面工程研究所,太原理工大学表面工程研究所,太原理工大学表面工程研究所,太原理工大学表面工程研究所 太原030024 ,太原030024 ,太原030024 ,太原030024 ,太原030024 ,太原030024

摘 要：

利用双层辉光离子渗金属技术在Ti6Al4V表面渗Mo,形成了表面改性合金层,就910～990℃渗Mo时基体温度对表面合金层性能的影响进行了研究。结果表明,渗Mo后的表面合金层由扩散层和沉积层组成,沉积层呈(211)晶面的择优取向。随着基体温度的升高,扩散层的厚度增加,并且合金层表面粗糙度增大。渗Mo后的表面合金层硬度较基体Ti6Al4V的大大提高,而基体温度变化对合金层硬度没有明显影响。用涂层压入仪对沉积层和扩散层间的结合强度进行了评定。研究表明,随着基体温度的升高,临界压入载荷pc增大,沉积层和扩散层间的结合强度增大。

关键词：

双层辉光离子渗金属;Ti6Al4V;Mo;组织;性能;

中图分类号： TG174.44

作者简介：李秀燕(1966),女,副教授,博士研究生.;

收稿日期：2002-06-17

基金：山西省青年科技研究基金资助项目(20021002);

Influence of Ti6Al4V base temperature on properties of molybdenum alloying layer

Abstract：

Surface alloying layer of molybdenum on Ti6Al4V base was formed by double glow discharge technique. The influence of Ti6Al4V base temperature on the properties of molybdenum alloying layer at 910990 ℃ was studied. The results show that the molybdenum alloying layer is composed of deposit layer and diffuse layer. The thickness of diffuse layer and the surface roughness of molybdenum alloying layer increase with increasing the Ti6Al4V base temperature. The microhardness value of molybdenum alloying layer is much larger than that of Ti6Al4V base. The change of Ti6Al4V base temperature has little influence on the hardness of molybdenum alloying layer. The bonding strength between the molybdenum deposit and diffuse layer was studied with the indentation test. The result shows that it increases with increasing the Ti6Al4V base temperature.

Keyword：

double glow discharge technique; Ti6Al4V; molybdenum; microstructure; property;

Received： 2002-06-17

钛合金具有密度小、 比强度高、 耐蚀性能优异等优点, 被成功地应用于航空、 航天、 化工、 海洋、 汽车、 生物医学、 体育用品等领域。 但钛合金的摩擦因数大、 耐磨性较差, 在还原性酸中腐蚀比较严重, 抗高温氧化性差, 这些弱点使它的应用受到一定的限制。 对钛合金进行表面处理是改善其性能的既经济又有效的手段 ^[1,2] 。 已有的研究结果表明Mo在钛合金表面改性中是一种重要的元素。 用磁控溅射制备的Ti-Mo合金薄膜具有良好的抗氢脆能力 ^[3] , 采用等离子喷涂Mo处理的TiAl基合金汽车排气阀阀杆已被实际应用 ^[4] 。 双层辉光离子渗金属技术利用低温等离子体及采用固态金属材料作为欲渗元素的供给源, 可在导电材料表面形成梯度渗层, 该技术用于金属材料的表面改性具有独特的优势 ^[5,6] 。 利用双层辉光离子渗金属技术对黑色金属材料进行表面改性已有较成熟的经验 ^{[7,8,9,10,11]} , 但用于钛合金的表面改性研究目前还少见报导。 作者利用双层辉光离子渗金属技术在Ti6Al4V表面渗Mo, 就渗Mo时的基体温度对合金层性能的影响进行研究。

1 实验

1.1 基材及源极材料

选择退火态的钛合金Ti6Al4V作为实验基材, 其成分(质量分数, %)为: Al 6.7, V 4.21, Si 0.07, Fe 0.10, C 0.03, O 0.14, N 0.015, H 0.003, Ti余量。 试样尺寸为d 16 mm×3 mm, 渗Mo前所有试样都经过抛光, 表面粗糙度平均值R_a≤0.1 μm。 源极材料为粉末冶金法制备的纯Mo板。

1.2 Ti6Al4V双层辉光离子渗Mo的工艺条件

实验设备为LS-450型双层辉光离子渗金属真空炉, 极限真空度<6.7×10^-2 Pa。 采用WDL-31型光电测温仪测温。 装炉前试样用丙酮清洗, 渗Mo前用载气Ar进一步溅射清洗。 渗Mo时的工艺条件为: 气压35~40 Pa, 极间距15 mm, 源极电压1 100~1 300 V, 工件电压550~600 V, 渗Mo温度910~990 ℃, 渗Mo时间4 h。

1.3 检测方法

用KYKY1000B型扫描电镜及TN-5400型能谱仪测定试样合金层的厚度和成分, 用NEOPHOT21型光学显微镜分析合金层和基体的显微组织, 用LECOM-400-H1型显微硬度计测定合金层及基材硬度, 用D/max 2500型X射线衍射仪分析合金层的相结构(CuK_α靶), 用TR240型表面粗糙度仪测定表面粗糙度(仪器分辨率为0.02 μm)。 用西安交通大学研制的TCY-A型涂层压入仪进行p_c压入试验, 以评定合金层的结合强度, 采用金刚石圆锥压头(圆锥角120°), 载荷范围0~300 N, 0~700 N, 0~1 500 N, 最小分辨率为0.1 N, 位移范围0~1 000 μm, 加载、 卸载速率9.2×10^-4~2.8×10^-1 mm/min。 用声发射法和金相显微观察法相结合, 并采用类似疲劳试验中确定疲劳极限的升降法, 来确定合金层脱落的临界压入载荷p_c值。

2 结果与分析

2.1 合金层的组织成分

Ti6Al4V合金的(α+β)?β转变温度为(995±15) ℃。 处理温度高于转变温度时, 空冷后会形成粗大的魏氏组织, 破坏基材原有的力学性能 ^[12] 。 因此, 选定渗Mo时基体Ti6Al4V的温度在910~990 ℃之间。 Ti6Al4V渗Mo后表面形成均匀的合金层, 图1所示为 950 ℃渗Mo试样的断面形貌和主要元素Mo, Ti, Al和V沿断面的分布。 图1(a)中表面

图1 渗Mo合金层及基体Ti6Al4V的形貌(a)和 主要元素沿断面的分布(b) Fig.1 Micrograph of Mo alloying layer and Ti6Al4V base (a) and constituent distribution of elements on cross section(b)

的白亮层为渗Mo后的合金层, 由图1(b)可知, 合金层由纯Mo的沉积层和Mo在基体Ti6Al4V中的扩散层构成, 扩散层中Mo的含量由100%逐渐降至0。 靠近扩散层的基体表层中约10μm范围内的Al和V含量与渗Mo前基体Ti6Al4V中的含量相比, 基体表层存在明显的Al和V贫化现象, 这是由于在较高的渗Mo处理温度下, Al和V元素的迁移及高温挥发所致。

不同基体温度下, 合金层中Mo含量随层深的变化如图2所示。 可见, 随着温度升高, 扩散层厚度增大, 这是随着温度升高Mo在基体中的扩散系数增大所致。

实验发现, 渗Mo后的试样均比渗Mo前基体Ti6Al4V的表面粗糙度大, 随着基体Ti6Al4V温度升高, 合金层的表面粗糙度增大, 如图3所示。

图2 基体温度分别为910 ℃, 950 ℃和990 ℃时 合金层中Mo含量随层深的变化 Fig.2 Distribution of molybdenum in alloying layers with base temperature of 910 ℃, 950 ℃ and 990 ℃

图3 不同Ti6Al4V基体温度下 合金层的表面粗糙度 Fig.3 Surface roughness of Mo alloying layers at different Ti6Al4V base temperatures

在不同温度渗Mo时, 保持气压和基体Ti6Al4V的电位基本不变, 主要通过改变 Mo源极与钟罩间的电压来改变基体Ti6Al4V的温度。 基体温度升高, 对应Mo源极与钟罩间的电压增大, 这会使源极溅射量增大及溅射出的Mo颗粒变大, 从而使合金层厚度增加, 并使合金层的表面粗糙度增大。

用X射线衍射仪分析了合金层的相结构, 图4所示为950 ℃渗Mo合金层的XRD衍射谱。 由图4可以看出, 合金层表面有一层纯Mo的沉积层, 这与TEM能谱成分分析结果相一致。 经过分析可知, Mo沉积层呈现(211)晶面的择优取向。

图4 基体Ti6Al4V上渗Mo合金层的XRD谱 Fig.4 X-ray diffraction pattern of Mo alloying layer on Ti6Al4V base

2.2 合金层的性能

对910 ℃, 950 ℃和990 ℃ 3个不同基体温度的合金层的表面显微硬度进行了测试, 各合金层的表面显微硬度10点平均值差别不大, 约为HV780(0.01), 表明基体温度对合金层的硬度影响较小。 渗Mo后表面合金层的硬度较基体Ti6Al4V的大大提高, 图5所示为950 ℃渗Mo后沿深度方向的

图5 显微硬度随层深的变化 Fig.5 Microhardness distribution vs distance from surface

显微硬度分布。

对不同基体温度试样表面进行p_c压入试验。 因为基体Ti6Al4V与Mo扩散层间无结合强度问题, 所以p_c压入试验可以用来评定沉积层与扩散层间的结合强度。 不同基体温度试样的临界载荷p_c值如图6所示, 可知随着基体温度升高, 试样的p_c值增大, 表明沉积层与扩散层间的结合强度增大。 图7所示是采用950 ℃基体温度, 试样达到临界载荷时的压痕形貌。 基体Ti6Al4V较软, 在压入时合金层由于基体挤出塑性变形而开裂, 出现径向和环向裂纹。

图6pc值随基体Ti6Al4V温度的变化 Fig.6pcvs Ti6Al4V base temperature

图7 临界载荷时的压痕形貌 Fig.7 Indentation morphology at critical indentation load

参考文献

[1] 　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,2001,22(2):5457.

[2] 　萧今声,许国栋.提高高温钛合金力学性能的途径[J].中国有色金属学报,1997,7(4):97105.XIAOJin sheng,XUGuo dong.Severalwaystoimproveme chanicalpropertiesofhightemperatureTi basedalloys[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,1997,7(4):97105.

[3] 　施立群,周筑颖,赵国庆.TiMo合金薄膜的储氢特性和抗氢脆能力[J].金属学报,2000,36(5):530534.SHILi qun,ZHOUZhu ying,ZHAOGuo qing.HydrogenstorageandhydrogenembrittlementofTiMoalloyfilms.[J].ActaMetallurgicaSinica,2000,36(5):530534.

[4] 　陈　健,黄伯云,贺跃辉,等.TiAl基合金汽车发动机阀门的开发[J].材料导报,1998,12(3):1416.CHENJian,HUANGBai yun,HEYue hui,etal.Develop mentofTiAlbasedalloyautomotiveenginevalves[J].Mate rialsReview,1998,12(3):1416.

[5] 　XUZhong.MethodandApparatusforIntroducingNormallySolidMaterialsintoSubstrateSurface[P].US 4520268,1985.

[6] 　XUZhong.MethodandApparatusforIntroducingNormallySolidMaterialsintoSubstrateSurface[P].US 4731539,1988.

[7] 　徐　重,王振民,古凤英.双层辉光离子渗金属技术[J].金属热处理学报,1982,1:7183.XUZhong,WANGZhen min,GUFeng ying.Doubleglowsurfacealloyingtechnique[J].MetalHeatTreatment,1982,1:7183.

[8] 　徐　重.双层辉光离子渗金属的发展、现状和展望[J].表面工程,1997,1:410.XUZhong.Advances,state of artsandperspectivesofthedoubleglowsurfacealloyingtechnique[J].SurfaceEngineer ing,1997,1:410.

[9] 　李成明,徐　重,田林海,等.双层辉光离子渗金属技术等离子体诊断[J].应用科学学报,1999,17(2):232236.LICheng ming,XUZhong,TIANLin hai,etal.Studyonplasmadiagnosticsofdoubleglowplasmasurfacealloyingtechnique[J].JournalofAppliedSciences,1999,17(2):232236.

[10] 　李成明,田林海,徐　重,等.双层辉光离子渗金属中W Mo供给源的研究[J].材料科学与工艺,1998,6(4):109111.LICheng ming,TIANLin hai,XUZhong,etal.StudyonW Moalloysurfaceindoubleglowplasmasurfacealloying[J].MaterialScience&Technology,1998,6(4):109111.

[11] 　李忠厚,刘小萍,高　原,等.FeW MoCo时效硬化合金的表面冶金工艺[J].中国有色金属学报,1999,9(4):790793.LIZhong hou,LIUXiao ping,GAOYuan,etal.SurfacemetallurgicaltechniqueofFeW MoCoagehardedalloy[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,1999,9(4):790793.

[12] 　张宝昌,王世洪,何　明.有色金属及其热处理[M].北京:国防工业出版社,1981.232256.ZHANGBao chang,WANGShi hong,HEMing.Nonfer rousMetals&HeatTreatment[M].Beijing:DefenceIndus tryPress,1981.232256.