TC4 鈦合金離子滲氮組織與力學性能

都海剛，馮秋元，陳秉剛，張永強，姚小飛，王 儉

（1.寶雞鈦業股份限公司，陜西 寶雞 721014；2.西安工業大學，陜西 西安 710000）

鈦及鈦合金具有最高的比強度，良好的高、低溫性能，在海水中及氧化性介質中有極高的耐腐蝕性能等優點，是現代技術中最有前途的結構材料[1]，在航空航天、船舶行業、石油化工、生物醫療以及其它民用工業等領域都得到了廣泛的應用。然而鈦合金的缺點也相當的明顯，表面硬度低、耐磨損性能差。在滑動摩擦條件下，易與摩擦材料發生粘附，產生磨損，摩擦和磨損抗力相當低，嚴重限制了其應用范圍。因此，提高鈦合金耐磨性能成為了目前國內外研究的熱點[2]，對于離子滲氮后室溫力學性能系統研究的很少。

本文采用離子滲氮方法使TC4 表面形成的TiN 涂層（薄膜）具有高硬度（理論硬度21GPa）、優異的耐熱耐磨性能[3]和耐腐蝕等特性[4]，同時獲得在一些領域具有裝飾性薄膜[5-8]；開展了滲氮后金相組織對室溫拉伸沖擊及顯微硬度影響研究，為TC4鈦合金進一步在耐磨部件和腐蝕介質中推廣應用提供技術依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為寶鈦股份科研用退火態φ250mmTC4 鈦合金棒材，相變溫度為990±5℃，化學成分見表1。

表1 實驗材料化學成分（wt.%）

1.2 實驗方法

取橫向拉伸試樣和AKU 夏比沖擊試樣各8 個，拉伸試樣規格為φ80mm，沖擊試樣規格為10mm×10mm×55mm。其中選取各4 個試樣直接進行性能測試，另外各4 個試樣在LDMC-100F離子滲氮設備中進行滲氮處理，考慮到鈦的氫脆性，采用氮氣和氬氣的混合氣體為滲氮介質[10]，N2：Ar=1：1，滲氮溫度840℃，滲氮時長16h，滲氮壓力350pa,電壓600V，在試樣表層形成滲氮層。

采用日本島津XRD6000 型X 射線衍射儀分析滲氮層相結構，利用ZEISS Axlover200MAT 光學顯微鏡觀察顯微組織，采用威爾遜2100B 硬度計檢測顯微硬度（HV2），采用INSTRON5885型電子式萬能拉伸試驗機測試拉伸性能，采用JNS-300 型沖擊試驗機測試夏比沖擊功，利用日本電子JSM480 型掃描電鏡觀察斷口形貌。金相試樣腐蝕液為：10%HNO3+5%HF+85%H2O（體積分數）。

2 結果與分析

2.1 滲氮層顯微組織

TC4 鈦合金離子滲氮前后的金相組織如圖1 和圖2 所示，從圖1 可以看出，TC4 基體為等軸狀的α 和層片狀α+β 組織，且等軸狀α 組織較粗大，片層狀α+β 組織較細小。從圖2 可以看出，滲氮層厚度約為100μm，由表及里，α 相由粗大連續的塊狀逐漸變為間距較小的層片狀，進一步轉變為等軸狀。這表明，TC4 鈦合金離子滲氮后，滲氮層組織發生了明顯的改變，由原始的等軸狀α 和層片狀α+β 組織轉變為表面層粗大連續α 組織和過渡層α+β 層片狀組織。

圖1 TC4 基體組織×200

圖2 TC4 滲氮層組織×200

2.2 滲氮層相結構

圖2 為TC4 鈦合金表面離子滲氮層的X 射線衍射譜，分析可知，滲氮層由3 種相構成，即化合物Ti2N，化合物TiN 及由Al3Ti、Ti 和Ti2N 組成的a-Ti 固溶體，其中以Ti2N 和Ti 相為主。

圖3 TC4 滲氮層的XRD 譜圖

圖4 滲氮試樣顯微硬度隨深度的變化曲線圖

2.3 硬度

圖3 為TC4 鈦合金滲氮后由表及里硬度的變化規律如圖3 所示，可以看出，基體硬度約為300HV0.2，滲氮表面層硬度約為800HV0.2，這表明TC4 鈦合金離子滲氮層硬度較基體有大幅度的提高，增大幅度超過2 倍。從硬度由表及里的變化規律來看，硬度依次逐漸降低，硬度增大區間也表明了TC4 鈦合金滲氮層的深度約為100μm，這和滲氮層截面顯微組織變化的規律相一致。

2.4 拉伸性能與夏比沖擊功

TC4 鈦合金離子滲氮前后的拉伸性能檢測結果見表2.可以看出，TC4 鈦合金離子滲氮后，抗拉強度、屈服強度均有明顯的提高，提高了約20MPa ～50MPa，但斷后延伸率和斷面收率顯著降低，伸長率下降了約50%，斷面收縮率下降了約60%，夏比沖擊功值略有降低，下降了約10%。這主要是由于TC4 鈦合金滲氮層形成了Ti2N 和TiN 等硬脆相，滲層主要由Ti2N 相構成，高硬度的TiN 相分布在表層，試樣收到力的作用后，由于滲氮層與基體間硬度的差異造成形變協調能力不一致,在試樣表面容易產生裂紋；導致了材料的脆性增大、塑韌性變差。根據強度和硬度的正比關系[11]，滲氮層中Ti2N 和TiN 相是造成材料強度提高、塑性下降的原因。

表2 滲氮前后室溫力學性能對比

2.5 斷口分析

TC4 鈦合金離子滲氮后的拉伸斷口和沖擊斷口的形貌如圖5 和圖6 所示。可以看出，拉伸試樣裂紋由塑性區向脆性區擴展，其塑性區斷裂機理為微孔聚集型；沖擊試樣裂紋由脆性區向韌性區擴展，故離子滲氮對于沖擊韌性降低不明顯，對拉伸的強度有所提高，顯微硬度可以得到明顯提高，塑性指標降低較多。沖擊斷口四周可以看到有亮色的區域，平淺的韌窩呈河流花樣狀，斷裂機理為解理斷裂，表層為脆性斷裂層，寬度約100μm，與金相滲層厚度一致；在靠近滲層處出現了寬度約100μm ～200μm的細淺韌窩帶，結合相對應位置金相組織中亮斑來分析，細小淺韌窩帶出現可能與氮在材料內部擴散形成Ti2N 相有關，在局部聚集出現亮斑，這與圖2 金相組織中出現的亮斑吻合，在滲氮層和本體體之間形成一個韌性斷裂和脆性斷裂的平坦過渡帶，呈河流狀花樣，這是準理解理斷裂典型特征，沖擊式樣的韌脆轉變過渡帶小于室拉試樣可能與裂紋擴展方向有關。

圖5 拉伸試樣斷口形貌SEM

圖6 沖擊試樣斷口形貌SEM 圖

3 結論

（1）TC4 鈦合金離子滲氮層相成分主要有Ti2N、TiN 及由Al3Ti、Ti 和Ti2N 組成的a-Ti 固溶體，組織形態為表面層粗大連續α 組織和過渡層α+β 層片狀組織。

（2）TC4 鈦合金離子滲氮后，離子滲氮層硬度較基體提高約2 倍，達到800HV0.2，抗拉強度、屈服強度均有明顯的提高，斷后延伸率和斷面收率顯著降低，夏比沖擊功值略有降低。滲氮層中Ti2N 和TiN 相是造成TC4 鈦合金強度提高、塑韌性下降的主要原因[9-12]。