第22卷第3期2001年9月材料热处理学报TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTVol.22No.3September2001等离子渗氮与喷丸强化复合改进钛合金抗微动损伤性能刘道新1,陈华2,何家文2(1.西北工业大学腐蚀与防护研究室,陕西西安710072;2.西安交通大学)摘要:利用直流脉冲等离子电源装置对Ti6A14V钛合金表面渗氮处理,研究了渗氮层的相组成、硬度分布、韧度及摩擦学性能,采用喷丸形变强化(SP)对渗氮层进行后处理,以达到联合提高钛合金微动疲劳(FF)抗力的目的。研究结果表明:脉冲电源等离子技术可在钛合金表面获得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相组成的渗氮层,该改性层能够显著地提高钛合金常规磨损和微动磨损(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力。渗氮层的减摩和抗磨性能与SP引入的表面残余压应力协同作用,使钛合金FF抗力超过了SP单独作用。提高渗氮层韧度对改善钛合金FF和FW性能均十分重要。关键词:等离子渗氮;喷丸强化(SP);钛合金;微动疲劳(FF);微动磨损(FW)中图分类号:TG174.444,TG166.5,TG115文献标识码:A文章编号:1009-6264(2001)03-0049-06收稿日期:2000-08-28;修订日期:2001-03-26基金项目:航空科学基金资助(98H53086)作者简介:刘道新(1962—),男,西北工业大学副教授,博士,主要从事材料环境敏感断裂、微动损伤及其控制技术,离子束表面强化、化学复合镀等新型表面工程技术研究。通讯地址:西安市西北工业大学398信箱,Tel:029-8495451,E-mail:liudaox@nwpu.edu.cn钛合金以其比强度高、热稳定性好、耐腐蚀性能优异等特点而成为制造高性能航空发动机重要构件的主选材料。然而钛合金耐磨性能差,对微动磨损(frettingwear,FW)和微动疲劳(frettingfatigue,FF)损伤十分敏感。因此,研究可靠的钛合金微动损伤(包括FF和FW)防护技术,成为发展高可靠性、长寿命航空发动机的重要课题之一。微动损伤与材料表面性能密切相关,因此表面处理技术是改善钛合金微动疲劳性能的重要方法。在提高钛合金微动损伤抗力研究中,抗磨和抗疲劳是一对矛盾,单一的表面强化处理难以使抗磨和抗疲劳性能同时得到改进,不合适的复合处理也难以达到预期目标[1,2],且常常不及单独使用喷丸强化(shotpeening,SP),由此导致人们普遍认为喷丸强化是提高钛合金FF抗力最有效的方法[1～4]。尽管离子注入对改进钛合金抗FF和FW性能有一定效果[1,2],但注入层浅(约0.1μm),耐久性差。等离子渗氮则可克服离子注入的上述缺点,但等离子渗氮有损于钛合金常规疲劳性能[5],原因是渗氮层韧度较低。即使对FW损伤,是否存在“表面改性层硬度越高,其抗磨性能越好”也有待澄清。另外,关于等离子渗氮对钛合金微动疲劳性能影响的研究也很少,能否将离子渗氮与SP复合,以进一步提高钛合金的FF抗力的研究未见报导,本文拟在这些方面作进一步的探讨。1方法与过程1.1等离子渗氮处理采用直流脉冲等离子体电源装置进行渗氮处理,脉冲比直流离化率高,且对带孔件可进行孔内渗氮[6]。渗氮优化工艺参数为:电压:550～650V;脉冲持续时间:1000μs;脉冲间隔:6000μs;气压:600～700Pa;VN2∶VH2=2∶1);氮气流速:30～40lh;温度:800℃;时间:根据层深确定。1.2喷丸形变强化处理根据航空工业生产实践、文献研究成果,以及一定的实验筛选工作,对厚度为2～3.5mm的退火态钛合金板材选择喷丸。设备:直接加压式气动喷丸机。工艺参数:S100铸钢丸,丸粒平均直径0.3mm;喷距:110mm;气压:0.4MPa;工件转速:12rmin;时间:15min;强度:0.16～0.20A;覆盖率:150%。1.3改性层结构分析及性能评价试验用钛合金选用退火态Ti6A14V板材,化学成分(w,%)为:6.70A1,4.21V,0.10Fe,0.14O,0.07Si,0.03C,0.015N,0.003H,余量Ti。力学性能:σ0.2=1010MPa,σb=1080MPa,δ=15%,Χ=41%,硬度36HRC。用DMax-ⅢA型X射线衍射(XRD)仪分析改性层结构,选用Co(Kα)靶。利用Neophot-2型金相显微镜及S-2700型扫描电镜观察改性层组织及形貌;用EPM-810型电子探针确定改性层的元素及相分布。采用MICROMET-Ⅱ型显微硬度计测量改性层的硬度,加载时间:15s;压头:Knoop金刚石压头。试样表面残留应力利用MSF-2M型微机辅助X射线应力分析仪测定,采用侧倾法,选用Co(Kα)靶。渗氮层断裂韧度半定量评定用TCY-A型涂层压入仪进行,以表层开裂的最小临界载荷Pc代表其...
