工業純鈦TA2表面化學熱處理開放性實驗設計

李海斌，石林爽，劉 義，劉樹龍，胡 菁

（淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000）

科技進步推動了各行各業的快速發展，而各行各業的發展都離不開各種材料，尤其是尖端科技的發展對金屬材料提出了越來越高的要求.例如，航天航空、核能原子反應堆、生物醫療器件對金屬材料的要求更加嚴格，這些領域需要強度高、密度小、耐熱性高、耐蝕性強、焊接性和鑄造性良好的金屬材料.鈦及鈦合金就滿足上述特性，已在尖端科學和高新技術方面發揮著重要作用，在國民經濟發展中有著廣闊的應用前景[1-3].但是，很少有高校將鈦合金制備、加工和處理有關的實驗引入到本科生實驗教學中.本文根據我們前期在該方面的工作[4-5]，以簡單的化學熱處理實驗為載體，介紹了一種工業純鈦TA2表面滲氧、滲氮處理的開放性實驗設計.該開放性實驗涉及了金屬熱處理、金屬表面處理、固體表界面等方面的理論知識.利用開放實驗平臺，學生可以通過查閱文獻提出實驗設計方案，進行實驗操作和性能測試，并對測試結果數據進行分析.整個開放性實驗，不僅可以讓學生對尖端高新材料有所了解，還可以加深學生對所學相關知識的掌握、理解和應用，訓練學生的實驗技能和提升研究創新能力，為將來的科學研究和專業技能發展打好基礎，為培養材料科學與工作專業應用型人才創造良好的教學載體.

1 實驗目的

緊跟國內外材料前沿領域的發展，掌握新型材料制備和處理工藝是對材料科學與工程專業本科生的基本要求.開放性實驗教學以學生自主為中心，教師為教學服務為主導，不斷擴展和更新自身的知識和技能，積極將最新的科技知識以簡單的方式引入到實驗教學中[6-8].工業純鈦TA2表面化學熱處理開放性實驗的設計，以簡單的方式將鈦合金這種新型材料引入到教學中，不僅可以使學生了解到新知識，還可以有助于學生加強對已開設課程中所學基本理論知識的認識，鞏固在實踐教學中已學的基本實驗技能，有助于培養學習興趣，開闊科研視野，培養創新思維.本開放性實驗的教學目的如圖1所示：

圖1 實驗目的

（1）通過獨立自主的文獻資料查閱，熟悉、掌握鈦及鈦合金有關的理論知識和相應的應用背景.

（2）通過對鈦及鈦合金進行退火處理和表面化學熱處理，掌握鈦的退火處理工藝和表面滲氧、滲氮處理工藝.

（3）通過對試樣的XRD表征，掌握XRD儀器的操作和使用，學會使用分析軟件（如Jade軟件）進行物相分析.

（4）通過對試樣的SEM表征，掌握SEM儀器的操作和使用，學會相關的形貌分析方法.

（5）通過對試樣的OM表征，掌握鈦的金相制備流程，學會金相顯微鏡的操作和使用.

（6）通過對試樣的顯微硬度表征，掌握顯微硬度測試和計算，學會顯微硬度計的操作和使用.

（7）通過實驗報告的撰寫，掌握分析軟件的使用（如O-rigin軟件）、數據分析方法和熟悉科技論文寫作流程.

2 實驗部分

2.1 實驗材料和儀器

實驗材料：工業純鈦TA2板材，砂紙，HF酸（國藥集團，≥40.0%），硝酸（國藥集團，≥65.0%），無水乙醇（國藥集團，分析純），丙酮（國藥集團，分析純），高純氮氣，去離子水.

實驗儀器：超聲清洗機，電火花線切割機，馬弗爐，管式爐，金相顯微鏡，掃描電子顯微鏡，X射線衍射儀，硬度測試機.

2.2 實驗步驟

利用馬弗爐對工業純鈦TA2板材進行退火處理.退火溫度：550℃，退火時間：2h.隨后，利用電火花線切割機將已退火處理的板材切割成大小為20mm×20mm×3mm的試樣，并利用超聲清洗機將切割好的試樣在無水乙醇中進行清洗.清洗后的純鈦TA2試樣利用400#，600#，800#，1200#和2000#砂紙逐級打磨至光整表面.所有已打磨好的TA2試樣在丙酮中進行超聲清洗20min并在去離子水中超聲清洗20min，最后干燥備用.

化學熱處理的滲氧、滲氮工藝均在在管式爐中進行.將打磨好的純鈦TA2試樣置于方舟并安放在管式爐中，以10℃/min的升溫速度加熱至800℃保溫4h后，將溫度降至150℃保溫1h，隨后試樣空冷至室溫，升溫曲線如圖2所示.對于表面滲氧處理，整個處理過程在空氣中進行.對于表面滲氮處理，整個處理過程中在管式爐內通入高純氮氣，且氣體流量保持在50ml/min.

圖2 純鈦TA2表面滲氧、滲氮處理工藝的升溫曲線

經表面滲氧、滲氮處理后的純鈦TA2試樣，利用超聲清洗機在無水乙醇中進行清洗并干燥.表面化學熱處理后試樣的表面形貌采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察測試.為了研究分析處理后試樣的截面顯微組織分布，首先利用線切割機對試樣進行切割，切割后試樣利用環氧樹脂進行鑲封，并打磨、拋光，最后利用 Kroll腐蝕劑（HF：HNO3：H2O=1：2：17vol.%）對試樣進行金相腐蝕，并利用金相顯微鏡對試樣截面進行顯微組織觀察.利用X射線衍射儀（XRD）對表面處理后的試樣表面進行物相表征.利用顯微硬度計對處理后試樣的表面和截面顯微硬度進行測量.測試載荷為100gf，所加載的時間為15s，同一試樣選擇3個點以上位置進行測量，并取平均值.

2.3 實驗結果與分析

圖3為純鈦TA2試樣經表面滲氧、滲氮處理后的XRD圖譜.由圖3可以觀察到，對于未處理的TA2試樣，XRD圖譜中只有α-Ti的衍射峰.對于化學熱處理后的試樣，經Jade軟件比對標準PDF卡片后發現，滲氧處理后試樣表面形成了Ti的氧化物.氧化物的主要成分有TiO2和Ti8O15.滲氮處理后，試樣表面主要是形成了Ti氮化物.氮化物的主要成分有TiN和TiN0.26.此外，在滲氮處理后試樣的XRD圖譜中，還可以發現有Ti的氧化物Ti8O15的存在.這可能是因為在滲氮處理的管式爐中有少量氧氣或水蒸氣的存在，而鈦為極其活潑的金屬，易于和氧發生反應而在試樣表面生成少量氧化物.

圖3 純鈦TA2試樣經表面滲氧和滲氮處理后的XRD圖譜

圖4 純鈦TA2試樣表面滲氧后（a）表面形貌，（c）截面形貌和表面滲氮后（b）表面形貌，（d）截面形貌

圖4為純鈦TA2試樣經表面滲氧、滲氮處理后的表面、截面形貌.由圖4（a）可以發現，經滲氧處理后，試樣表面形成了均勻、致密的氧化物表面層.結合圖4（c）進一步發現，在試樣表面氧化物層的下面還存在著具有一定厚度的光亮層.研究表明，該光亮層為O原子擴散至α-Ti中所形成的O的固溶體α-Ti(O)擴散層.由圖4（b）可以發現經滲氮處理后的試樣，表面也形成了一均勻、致密的氮化物表面層，同時可以觀察到氮化物層中存在一些缺陷，如孔洞、裂縫.結合圖4（d）也可以發現，氮化物層下面還有因N原子擴散、固溶于α-Ti中而形成的α-Ti(N)擴散層.

圖5 純鈦TA2試樣經表面滲氧、滲氮后的截面顯微硬度和滲氮試樣硬度測試壓痕（右上角）

圖5為純鈦TA2試樣經表面滲氧、滲氮后的截面顯微硬度分布和滲氮試樣硬度測試壓痕.由圖可以發現，經表面滲氧和滲氮處理后的TA2試樣表面維氏顯微硬度得到了顯著地提高，表面硬度由原基體顯微硬度195.2 HV0.1分別提高到580.5 HV0.1和620.3 HV0.1.顯微硬度的提高顯然與表面化學熱處理后表面所形成的硬質的鈦的陶瓷相（氧化鈦和氮化鈦）有關.同時，由圖5還可以發現，隨著截面深度的增加，顯微硬度呈快速減小趨勢，并最終減小至基體硬度.這主要是因為O原子、N原子擴散、固溶于α-Ti中，引起晶格畸變導致材料硬化，且隨著截面深度的增加，擴散固溶的O、N原子溶度快速降低，硬化程度也隨之快速減小.

2.4 實驗總結

實驗數據分析并得出結果后，教師要求學生以科技論文的形式完成實驗報告.同時，根據實驗所得到的數據和結果，進一步引導學生思考.總結發現，純鈦TA2試樣表面經化學熱處理（滲氧和滲氮）后，在表面層形成了陶瓷相層和擴散層，且表面顯微硬度得到了顯著的提高.同時，可以肯定陶瓷層的致密性、缺陷程度、厚度，擴散層的厚度、表面層顯微硬度分布等受化學熱處理工藝參數（處理時間、溫度、氣氛）的影響.如何讓鈦及鈦合金獲得耐熱性優、耐蝕性強、耐磨性高、強度高、韌性好等性能優良的表面層結構？這就可以啟發學生在自己實驗結論的基礎上，針對鈦和鈦合金不用應用領域對不同性能的要求來相應的確定工藝參數.同時，教師也可以講解與化學熱處理工藝相似的工藝，如等離子、激光表面處理等工藝，并布置實驗外的思考作業，讓學生通過文獻調研和資料查閱，在理論課程中介紹相應工藝的研究與應用，進一步培養學生的文獻資料查閱能力和獨立自主科研能力并激發學生對科學研究的興趣.

3 結語

采用表面化學熱處理工藝（滲氧、滲氮）對工業純鈦TA2表面進行處理.利用掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡和X射線衍射儀對處理后試樣進行表征分析，并研究表面處理后試樣的硬度性能.該開放性實驗，首先通過試樣加工、處理可以使學生掌握材料加工方法、熱處理工藝和表面處理工藝，所涉及到的一些實驗技能操作，如電火花線切割機、高溫爐、管式爐的操作和使用等，加強學生對熱處理原理與工藝、材料加工工藝等課程中所學基本理論知識的認識，鞏固學生在材料基礎實驗和材料分析實驗中所學的基本實驗技能，使理論教學和實踐教學進一步的結合.這樣，有助于培養學生的學習興趣，開闊學生的科研視野，培養學生創新思維.處理后試樣由學生親自操作儀器進行表征分析，也讓學生進一步熟悉了大型測試儀器的使用和操作，培養了學生獨自自主的實驗操作能力.最后，教師指導學生進行數據分析，并以科技論文的形式要求學生完成實驗報告，從而有助于培養學生的數據軟件使用能力和數據分析能力，訓練學生的科技論文寫作能力，為今后的科學研究和畢業論文的設計、撰寫打下了很好的基礎.

參考文獻：

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