汽车零部件用钛锻件钛棒等钛及钛合金表面改性技术研究进展

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TA２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] 。

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 [１０] 。 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[１２－１３] 。 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。

2、 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。

2.1 喷丸处理

喷丸处理是将大量0.25－１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[１４－１６] 。 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。 Tsuji等[１７] 通过 等离子体渗碳与喷丸强化相结合技术研究其对TC４合金疲劳磨损性能的影响,发现其可以有效改善渗碳处理TC4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。

2.2 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 Ti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[１８] 。

2.3 电化学处理

电化学处理是基于发生在 Ti和 Ti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[１９] 。 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[２０] 。 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。Mohan等[２１] 发现 Ti－１３Nb－１３Zr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 Ti－１３Nb－１３Zr相比,氧离子注入的 Ti－１３Nb－１３Zr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 Ti–６Al–４V的硬度增加两倍以上,这是因为形成了 TiC沉淀或 TiC层[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[２３] 。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 Ti衬 底 的 表 面 上 形 成 覆 盖 有 薄TiO₂ 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 NiCoCrAlY 来提高 Ti–６Al–４V的硬度和耐磨性,激光熔覆产生的涂层硬度是Ti-6Al-4V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。

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Ti合成 TiN 和 TiO２ 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 TiＧ６AlＧ４V 上 沉 积 TiSiN 膜,实验结果 表明,在10V的负偏压下制备的 TiSiN 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 Ti和 Ti合金的更好性能和更广泛的应用。

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