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Ti-6Al-4V(TC4)合金是世界上应用最广泛的钛合金,但硬度低、耐磨性差,本文设计820℃固溶处理+冷轧变形+450℃低温等离子渗氮及时效的复合工艺以提升Ti-6Al-4V整体综合性能。利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、EDS能谱分析、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射分析仪(XRD)、背散射电子衍射技术(EBSD)等手段分析表征变形组织及氮化组织变化,利用摩擦磨损测试、显微硬度测试考核评价了硬度和耐磨性。变形组织结构分析显示,Ti-6Al-4V合金在820℃固溶处理冷却过程中发生了β-Ti向α-Ti的转变,随着变形量的增加,基体内部可能存在的亚稳态的α’相和β’相在轧制过程中进一步分解产生β-Ti,β-Ti的含量增多且分布在α-Ti晶界处,晶粒转动导致Burgers位向关系被破坏;试样经过急速水冷后,内部存在大量残余应力并在晶界处产生了大量的位错,位错互相缠结形成位错墙和位错胞,随着变形程度的增加,位错不断向晶粒内部运动、增殖,位错密度不断增大。合金织构随着变形量的增大发生了变化,由近似横向织构转变为横向织构,基面位向集中在TD方向,柱面位向集中在RD方向。氮化组织结构研究表明,Ti-6Al-4V合金试样经过变形渗氮后,试样中没有氮化层、扩散层的明显界面,N元素扩散深入合金基体内部贯通于整个试样当中,生成了高硬TiN相,表面TiN含量高于心部含量,30%变形量试样TiN含量最多,分布最均匀。渗氮后试样内部β-Ti较渗氮前增多,发生了时效强化作用,部分α-Ti转变为β-Ti。生成的一部分TiN的{001}晶面、{110}晶面分别平行于β-Ti的{110}、{111}晶面在α-Ti晶界处与β-Ti中的Ti元素结合生成并向β-Ti生长;另有一部分TiN的{110}晶面沿着α-Ti{112~—0}晶面在α-Ti晶粒内部的位错处形核生成。未变形试样在450℃渗氮22h过程中发生了再结晶现象,晶粒尺寸减小了大约一倍,小角度晶界减少;30%变形量试样和50%变形量试样在渗氮过程中发生了回复与再结晶,50%变形试样的再结晶程度不如30%变形试样。影响TiN生成的材料内部因素主要有三个:位错密度、回复再结晶程度以及晶粒取向,生成TiN的含量由三者综合作用决定。位错密度越大、再结晶程度越高(晶界数量越多)、晶体织构越接近横向织构(基面位向集中在TD方向,柱面位向集中在RD方向),生成TiN越多,因此三者综合作用30%变形量试样的TiN含量最高。性能研究显示,冷轧变形对合金耐磨性有提升作用;经过渗氮后摩擦系数和体积磨损率整体上进一步减小,30%变形量试样的体积磨损率最小。渗氮前试样的磨损机制主要为粘着磨损+疲劳磨损+少量磨粒磨损,冷轧变形后,磨粒磨损增多,30%变形量试样磨粒磨损现象最为明显;渗氮后,试样的磨损机制以磨粒磨损为主,同时渗氮22h试样心部硬度大幅度提升,说明冷轧形变促渗+低温渗氮及时效工艺能够有效地提升试样表面和心部性能,材料整体综合性能得到了较高提升。