1、引言
鈦屬于輕金屬,具有良好的延展性、易導電、導熱。同時,鈦也具有良好的耐腐蝕性和耐低溫性[1]。純鈦當中TA2牌號在工業當中使用最為廣泛,主要應用于制造各種非承力結構件,同時工業純鈦還可用于生物植入材料[2]。 鈦合金是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬,其具有強度高、耐蝕性好、密度低、低溫性能好,在低溫和超低溫下,仍能保持其力學性能、生物相容性好等多種良好特殊性能,自從問世以來已經成為一種重要的結構材料,其在航空航天、海洋、汽車、裝甲和生物醫學設備中得到越來越多的應用[3-9]。
鈦合金在汽車領域的應用一般是在引擎系統,由鈦合金制成的零部件具有一定的優異性,其質量輕,對于汽車發動機轉速和燃油性有一定的提升,發動機的性能也會有很大的改善[10]。表1為適用于汽車的鈦合金品種,表2為鈦合金零部件在引擎系統中的應用。
鈦及鈦合金由于其性能優異,常廣泛應用于高精尖技術領域。但在某些工作環境下,其也存在一定的缺點和問題,如硬耐磨性差、抗氧化能力差等;鈦及鈦合金發展應用也由于這些缺點而受到一定的限制[12－13]。目前,解決鈦及鈦合金應用受限的常用方法是表面改性技術。
2、傳統的表面改性方法
隨著鈦和鈦合金的使用日益增長,為了提高鈦和鈦合金的表面性能來滿足不同使用環境下需求,在過去的幾十年里,各種傳統表面改性技術得到發展和應用。本文主要針對傳統表面改性方法中的噴丸處理、熱噴涂以及中電化學處理進行介紹。
2.1噴丸處理
噴丸處理是將大量0.25-1毫米大小的硬質鋼球以一定速度撞擊材料表面,在表面產生塑性變形,可以得到了晶粒細化的表面改性層[14－16]。噴丸處理包含一般噴丸和應力噴丸,設備簡單,成本低廉,操作比較方便。噴丸強化的鈦和鈦合金的硬度和耐磨性也得到了提高,是一種常用的鈦合金表面改性技術之一。將普通噴丸技術與其他表面處理技術復合應用,可以進一步提高鈦合金的耐疲勞性。Tsuji等[17]通過等離子體滲碳與噴丸強化相結合技術研究其對TC4合金疲勞磨損性能的影響,發現其可以有效改善滲碳處理TC4合金的表面殘余應力狀態,使合金的疲勞壽命提高,如圖1所示。
2.2熱噴涂
熱噴涂首先噴料熔化,而后再將噴料霧化成顆粒,并以高速噴射到基體表面形成涂層。熱噴涂法經濟、方便,是目前應用最廣泛的表面微合金化方法之一。它能在熱作用下將原料熔化以覆蓋Ti基板,通過使用預先確定的參數集對軟化或熔化的原料進行連續沉積,一層一層地制備涂層,可以在基體上制備各種表面合金涂層。熱噴涂可以獲得不同性能基體表面,常見有耐磨、耐腐蝕、抗氧化等。在高溫氧化環境下,合金涂層被氧化成致密的保護性氧化垢,能夠抑制氧和金屬離子的相互擴散,從而提高鈦合金和鈦鋁合金的高溫抗氧化性[18]。
2.3電化學處理
電化學處理是基于發生在Ti和Ti合金表面的化學反應而發展起來的。此方法中電源必不可少,電化學反應受一些工藝參數的控制,如:電解液和電位、電流、溫度等。一般來說,電化學處理包括電解拋光、陽極氧化、電沉積和電鍍。主要簡單介紹陽極氧化陽極氧化是金屬和合金的電化學氧化,可在金屬材料上制備不同氧化膜的普遍方法[19]。對于鈦和鈦合金,常用的陽極氧化的電解溶液有硫酸、磷酸、醋酸、鉻酸等。鈦合金表面陽極氧化膜的主要是增強其附著力和耐磨性,同時使鈦合金更好服務于航空航天和電子工業。
3、先進的表面改性方法
由于新工藝技術的發展,近幾年來出現了大量先進的表面改性技術,如攪拌摩擦處理、激光表面改性和離子注入等。這些先進的表面改性方法可以進一步提高鈦合金的表面性能及拓寬其應用領域。
3.1離子注入
離子注入是在真空中將高能帶電離子束射向金屬近表層,使其形成新的表面改性層[20]。根據離子來源的不同,鈦和鈦合金表面可形成氧離子注入層、氮離子注入層、碳離子注入層等不同的層。氧離子注入技術已廣泛應用于金屬材料中,以改善金屬的力學和生物性能。許多學者都研究證實鈦和鈦合金在耐磨性、耐腐蝕性方面的性能在氧離子注入后得到了改善。Mohan等[21]發現Ti-13Nb-13Zr在氧離子注入后,其耐磨性和耐腐蝕性同時增強。如圖2所示,與未處理的Ti-13Nb-13Zr相比,氧離子注入的Ti-13Nb-13Zr有明顯的淺劃痕。同理,氮離子、碳離子注入也可以提高鈦和鈦合金的表面性能。碳離子注入可以使Ti-6Al-4V的硬度增加兩倍以上,這是因為形成了TiC沉淀或TiC層[22]。
3.2激光表面改性
激光束具有高相干性和方向性,常用于許多金屬的表面改性。激光表面重熔和激光熔覆是常用激光表面改性的兩種方法[23]。激光表面重熔將工件表面用高能密度激光束熔化后立即固化。激光重熔Ti襯底的表面上形成覆蓋有薄TiO2層的精細馬氏體結構,這兩者都具有比底層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鈦和鈦合金耐磨性和耐蝕性的一種簡單方法。
激光熔覆利用高能密度的激光束讓基體表面和熔覆材料(預先添加在基體表面或是與激光束同步輸送)熔凝,從而與基體形成冶金結合,激光熔覆工藝示意圖如圖3所示。研究結果表明用NiCoCrAlY來提高Ti-6Al-4V的硬度和耐磨性,激光熔覆產生的涂層硬度是Ti-6Al-4V基底的兩倍。同時激光熔覆改變鈦合金表面性能也存在一些問題,由于熔覆材料和基體表面重熔和凝固過程中產生的殘余應力,會使產生的涂層會出現裂紋。因此,始終需要優化加工參數。
3.3物理氣相沉積
物理氣相沉積包括真空蒸鍍、離子鍍等,是一種氣化沉積成膜的方法。真空蒸鍍,在真空條件下,在基體表面使鍍膜材料凝聚成膜的方法。在混合N2和O2氣流中蒸發Ti合成TiN和TiO2復合涂層。此復合涂層與其他表面改性方法制備的涂層相比,基體具有更高的硬度和耐磨性。離子鍍是一種使用高能粒子轟擊襯底表面并沉積薄膜的工藝。在Ti-6Al-4V上沉積TiSiN膜,實驗結果表明,在10V的負偏壓下制備的TiSiN薄膜在海水中具有最佳的耐磨性。
４、總結
鈦合金有許多表面改性技術,選擇適合其具體應用的表面技術尤其重要。采用適合的表面改性技術可以保持以及提高基體材料在不同應用環境下的良好表面性能。這些表面改性技術在一定條件下還是會存在某些問題,當前除了表面涂層制備方法外,涂層材料也是至關重要的一個因素,目前很多學者都在努力研制新型涂層材料,以此來進一步改善鈦和鈦合金的表面性能,使其適用多種不同環境改性層的性能。因此,可以展望未來將會有更多種新型表面改性方法,以實現Ti和Ti合金的更好性能和更廣泛的應用。
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