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TC4鈦板銅鎳滲入改性層介紹

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-11-2 11:32:33

以TC4鈦板為基體材料,通過等離子表面合金化技術,對鈦合金表面進行滲銅、鎳改性處理,成功地在其表面制備了抗菌銅鎳改性層。銅鎳合金化處理在太原理工大學自制的等離子滲金屬爐中進行。工藝參數:工件電壓400~600V,源極電壓600~800V,極間距15~18mm,保溫溫度850度,保溫時間3h。源極材料為Ni60Cu40合金板。工作氣體為氬氣。

鎳的滲入能有效提高鈦合金的韌性及耐磨性。因此,在TC4鈦合金表面實現銅、鎳共滲,對獲得具有優良綜合性能的抗菌鈦合金、進一步拓寬其應用領域具有重要的現實意義。鎳基單晶高溫合金, 是制造先進航空發動機渦輪葉片的關鍵材料。為了提高單晶高溫合金的承溫能力,需要增大合金中難熔元素的比例,這容易造成合金在定向凝固過程中產生雀斑、雜晶等缺陷, 尤其是大尺寸鑄件的鑄造缺陷問題更為明顯。傳統的高速凝固法由于溫度梯度低的問題,容易產生顯微孔洞,顯微孔洞破壞了基體的連續性, 在變形過程中造成應力集中, 嚴重危害合金的使用性能。為了減少鎳基單晶高溫合金中顯微孔洞,中國科學院金屬研究所采用液態金屬冷卻新工藝,并針對一種自行研發的含Re質量分數為4%的第三代鎳基單晶高溫合金, 實驗對比了LMC工藝與傳統的高速凝固法所獲材料的顯微缺陷情況,證明LMC工藝優于傳統的高速凝固法。

實驗表明,用兩種工藝制備的合金鑄態組織都由灰色的γ相枝晶干和白亮色γ/γ′共晶相組成。與傳統工藝相比, LMC工藝制備的合金一次枝晶間距顯著降低, 共晶的體積分數也顯著增多。統計結果表明, 采用LMC工藝后合金的一次枝晶間距從350 mm降低至210 mm, 而共晶的體積分數從5%增加到10%。與傳統工藝相比, 用LMC工藝制備的合金中元素的偏析系數都更加趨近于1, 如Re元素的偏析系數從2.5降到2, Ta元素的偏析從0.7升高至0.9。經統計, 用傳統和 LMC工藝制備的合金中鑄態孔的體積分數分別為0.08%和 0.01%。在用兩種工藝制備的合金中, 鑄態孔的數量都隨孔徑的增加而逐漸減少,但是在用LMC工藝制備的合金中鑄態孔的最大孔徑顯著降低, 從40 mm降低至20 mm, 而且孔的數量也減少。鑄態合金經過1330℃/10 h固溶處理后顯微組織的觀察表明,固溶處理后合金沒有出現初熔, 但小孔的數量增加。用傳統工藝制備的合金中顯微孔洞的體積分數增加了0.06% (從0.08%增加到0.14%), 而用LMC工藝制備的合金中顯微孔洞的體積分數僅增加0.03% (從0.01%增加到0.04%)。

研究表明,鑄態孔的形成是由于在定向凝固過程中枝晶間的殘余液相被凝固的枝晶干包圍, 氣體無法排出或液相得不到有效補縮的結果。當張開孔洞的壓力大于閉合孔洞的壓力時,就會產生孔洞。鑄態孔形成的難易程度主要受糊狀區壓降的影響, 糊狀區的壓降越小越不容易產生縮孔。在凝固末期, 枝晶間的空隙尺寸和γ/γ′共晶的體積分數成正比, 共晶體積分數越大枝晶間的殘余液相越多,壓降越小。由于LMC工藝制備的合金中共晶體積分數高于傳統工藝制備的合金, 使得枝晶間的空隙尺寸增加, 降低壓降, 補縮壓力增加, 從而抑制縮孔的產生。由于LMC工藝制備的合金中枝晶的細化與合金元素的枝晶偏析程度顯著減輕, 因此,經過固溶處理后, 相對傳統工藝,用 LMC 工藝制備的合金中元素間不平衡擴散程度下降, 從而使固溶孔的體積分數顯著低于傳統工藝制備的合金。

檢測表明,經過合金化處理后,TC4鈦板表面形成一層均勻致密的改性層,改性層由白亮層和擴散層組成。改性層厚度大約為7.5um,其表面鎳含量為40%左右,銅含量為8%左右(質量分數),并沿深度方向呈梯度下降,不存在成分的突變。可見,改性層與基體為冶金結合,因此不會發生剝落等問題。改性層中鎳、銅含量差別較大,這與濺射有關。在等離子雙輝滲金屬過程中,源極與試樣同時作為陰極產生輝光放電,因此在合金化過程中,源極與試樣都會不可避免地發生濺射。由于試驗采用的源極與試樣均為非純金屬,因而存在元素的擇優濺射。在濺射初期,靶材受高能Ar+離子轟擊,由于銅元素的濺射產額明顯高于鎳元素的濺射產額,使得大量銅元素被優先濺射,鎳元素的濺射數量偏少,隨著濺射過程的持續進行,靶材表面含銅量急劇減少,鎳元素含量增高;同時所選靶材本身含鎳量比含銅量高,導致在隨后的過程中,鎳成為供給合金表面合金化的主要元素。此外,在滲金屬過程中,TC4鈦板在高能Ar+離子和源極離子的雙重轟擊下,表面再次發生濺射,銅被再次擇優濺射,造成成分再分布。最終導致合金化后TC4鈦板表面銅含量低,鎳含量相對較高。離子的轟擊不僅去除了合金表面鈍化膜,并且在隨后的過程中,引發聯極碰撞,使合金表層產生大量晶體缺陷,形成一個高密度缺陷區。同時,由源極提供的預滲金屬,保證了合金表面等離子氣氛充足。這些條件確保了鎳、銅合金層的形成。

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