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钛及钛合金以其比强度高、耐腐蚀性优异、弹性模量低、生物相容性好等优良特性而被广泛应用于诸多国民经济中的主要领域。但是,其硬度低、耐磨性能差等固有不足限制了其进一步发展。因此,钛及钛合金的表面改性受到越来越多的关注。固体渗硼技术是一种常用的表面改性方法,具有操作简单、所获渗层硬度高等特点。本文以常规Ti6AI4V合金为对象进行渗硼试验,所开展的工作和取得的创新型成果如下:
研究了应用于Ti6A14V合金的固体渗硼剂各组分配比。初选渗剂活化剂时发现氟硼酸钾不能作为钛合金渗硼的活化剂,因为氟硼酸钾在高温条件下会分解,产生的活性氟离子会与钛合金表层发生化学反应,从而使试样严重腐蚀;同时发现氧化镧和氧化锆对渗硼有显著的促进作用,而氧化铈和氧化铪对渗层的增长有一定的限制作用。
采用固体渗硼法对Ti6A14V合金进行渗硼试验,通过单因素试验和正交试验分别对含有氧化镧和氧化锆渗硼剂各组分配比及渗硼工艺进行了优化,试验结果表明,两种渗剂的最优工艺分别为:渗硼温度1050℃,渗硼时间20h,渗硼剂配比:n4c20%(wt),La2034%(wt),SiC76%(wt);渗硼温度1050℃,渗硼时间25h,渗硼剂配比:B4C20%(wt),ZrO24%(wt),SiC76%(wt)。通过上述优化渗硼工艺处理后,得到的渗层厚度分别为55.63μm和53.64μm。
研究了含氧化镧渗剂下Ti6AI4V合金渗层的表面组织形貌与相组成、渗层厚度与硬度梯度、渗层与基体的界面结合力以及摩擦磨损性能。试验结果表明:与未添加氧化镧的渗层相比,添加氧化镧渗层具有更致密的表面组织,更高的渗层厚度和表面硬度(增幅分别为50.7%和34.8%),更高的界面结合力(前者约为51N,后者约为70N,增幅为37.25%),在摩擦磨损过程中具有更低的摩擦系数(0.12vs0.45),更高的耐磨性、抗剥落性能和自身抗裂性。自身抗裂性的提高与渗层中存在Ti金属相提高韧性有关。添加氧化镧渗层与未添加氧化镧渗层相比,具有低且稳定的摩擦系数(0.12)且摩擦磨损表面无Fe元素。
研究了含氧化锆渗剂下Ti6AI4V合金渗层的表面组织形貌与相组成、渗层厚度与硬度梯度、渗层与基体的界面结合力以及摩擦磨损性能。试验结果表明:与未添加氧化锆的渗层相比,添加氧化锆渗层具有更好的表面组织,更高的渗层厚度和表面硬度(增幅分别为35.0%和6.99%),更高的界面结合力(前者约为51N,后者约为70N,增幅为41.17%),在摩擦磨损过程中具有更低的摩擦系数(0.15vs.0.45),更高的耐磨性、抗剥落性能和自身抗裂性。