TA31鈦合金是一種名義成分為Ti-6Al-3Nb2Zr-1Mo的近α型鈦合金，除具備鈦合金傳統(tǒng)的高比強(qiáng)度外，該牌號(hào)鈦合金還具備突出的耐海水、海洋大氣腐蝕性能!。因此TA31鈦合金發(fā)展成為海洋工程裝備中常用的一種鈦合金。但在實(shí)際應(yīng)用過程中,TA31鈦合金遇到與其他牌號(hào)鈦合金相同的挑戰(zhàn)。因TA31鈦合金硬度較低導(dǎo)致表面耐磨性較差，產(chǎn)品實(shí)際使用壽命較低。隨著全球航空航天和航海事業(yè)的快速發(fā)展，以及金屬加工制造領(lǐng)域的技術(shù)迭代，提高鈦合金表面硬度可以通過表面處理的工藝實(shí)現(xiàn)，鈦合金表面處理方式發(fā)展至今，主要包括表面滲氮、表面滲碳、陽(yáng)極氧化、微弧氧化等技術(shù)[2-4]。

滲碳處理是鈦合金工件常用的一種表面處理方式，根據(jù)具體滲碳工藝的不同可細(xì)分為固體滲碳、氣體滲碳、離子滲碳法，其目的均是通過表面滲碳的方式提高鈦合金表面硬度，從而提高鈦合金工件整體的耐磨性[5-8]。Ji等[9]將Ti6A14V合金樣品放人專用設(shè)備中進(jìn)行氧碳共滲，發(fā)現(xiàn)滲層表面硬度比基體硬度提高了3.8倍，且滲層硬度呈梯度變化。

張赫[10將TA1、TC4和TC213種合金進(jìn)行固體滲碳處理，其表面硬度與原始合金硬度相比分別提升了350.99%、163.67%、175.39%。但是目前針對(duì)TA31鈦合金耐磨性差的問題進(jìn)行表面處理的研究較少，為改善海洋工程裝備中常用的TA31鈦合金的表面耐磨性，本文在其他牌號(hào)鈦合金滲碳處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行，研究TA31鈦合金的滲碳處理。對(duì)比滲碳處理前后TA31鈦合金顯微組織、顯微硬度、室溫拉伸性能及沖擊性能，研究滲碳處理過程對(duì)TA31鈦合金顯微組織及力學(xué)性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)選用西安超晶科技股份有限公司生產(chǎn)的TA31鈦合金鍛造棒材作為材料，棒材通過七火次自由鍛造制備完成。選取制作兩件同等狀態(tài)的Φ200mmx30mm的試樣塊,標(biāo)記為1#和2#,其中1#試樣為對(duì)比試樣，不進(jìn)行任何處理，,對(duì)2#試樣進(jìn)行固體滲碳處理。2#試樣的滲碳處理采用上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)的50目石墨粉、99.99%的碳酸鋇作為原材料，按9:1的質(zhì)量比配制成專用滲碳劑。2#試樣塊與滲碳劑放置真空熱處理爐中，執(zhí)行900℃保溫420min后隨爐冷卻的工藝進(jìn)行滲碳處理。

滲碳處理完成后對(duì)1#及2#試樣塊按同樣的取樣方式進(jìn)行取樣，取樣位置及試樣規(guī)格如圖1所示。

其中顯微硬度、顯微組織及X射線衍射試樣按圖1所示在試樣塊表面取樣，試樣表面均有滲碳層,用以表征試樣表面特性。但室溫拉伸及沖擊試樣按圖1在相應(yīng)位置截面中心厚度處取樣，所取試樣為Φ200mmx30mm試樣塊的內(nèi)部試樣，因滲碳深度有限，所以室溫拉伸及沖擊試樣兩類力學(xué)試樣的表面無滲碳層。在截面中心厚度處取樣是為了使力學(xué)性能測(cè)試更具代表性,反映材料基體本身的力學(xué)性能，研究長(zhǎng)時(shí)間高溫處理對(duì)TA31鈦合金基體材料的力學(xué)性能有無明顯影響。

取樣后分別通過ICX41M型金相顯微鏡、FHVW-1Z顯微維氏硬度儀、UTM5105SYXL萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)、JBS-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)、X'PertPRO型X射線衍射儀等設(shè)備對(duì)相應(yīng)試樣進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比滲碳前后TA31鈦合金顯微組織及力學(xué)性能的差異。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1顯微組織

為研究持續(xù)高溫滲碳后TA31鈦合金基材的顯微組織變化,對(duì)兩種試樣的顯微組織進(jìn)行對(duì)比，圖2是滲碳處理前后TA31鈦合金基材的顯微組織照片。對(duì)比圖2a和b可以看出,滲碳前后TA31鈦合金的顯微組織均為雙態(tài)組織,組織類型未發(fā)生變化。

但滲碳后TA31鈦合金的次生α相發(fā)生粗化，由滲碳前的40 μm粗化到60 μm左右。這是由于滲碳過程有超過持續(xù)420min以上的高溫過程，次生α相在高溫能量驅(qū)動(dòng)下逐漸長(zhǎng)大，導(dǎo)致滲碳后TA31鈦合金的次生α相發(fā)生粗化。

2.2顯微硬度

鑒于滲碳處理是通過提高材料表面硬度進(jìn)而提高材料耐磨性這一特性，對(duì)滲碳前后TA31鈦合金試樣表面硬度進(jìn)行測(cè)試。對(duì)未進(jìn)行滲碳處理的1#試樣及滲碳處理的2#試樣按圖1所取的顯微硬度試樣進(jìn)行表面顯微硬度測(cè)試，首先分別在2個(gè)試樣表面任選3點(diǎn)測(cè)試表面硬度，以對(duì)比表征滲碳處理對(duì)TA31鈦合金表面硬度的提高程度，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1及圖3所示。

由表1可以看出，滲碳處理后TA31鈦合金表面硬度平均值可達(dá)939.7HV，比原鈦合金基體表面的平均硬度310.4HV提升了203%，滲碳處理后TA31鈦合金的表面硬度得到顯著強(qiáng)化。圖3是滲碳處理前后TA31鈦合金表面硬度對(duì)比，可以看到2種試樣的硬度數(shù)據(jù)分布集中，表明兩種狀態(tài)材料的硬度均勻性良好,且滲碳處理對(duì)TA31鈦合金表面硬度提升明顯。

為探究TA31鈦合金滲碳后表面的物相組成，對(duì)滲碳試樣塊表面取樣進(jìn)行XRD分析，如圖4所示。從XRD測(cè)試結(jié)果可以看出，試樣表面除了α-Ti的衍射峰外，出現(xiàn)了TiC的衍射峰,證明在滲碳處理后TA31鈦合金表面有TiC相生成。TiC相的硬度比鈦合金材料的硬度高,所以TiC相的生成會(huì)使材料表面硬度有較為明顯的提高。其他牌號(hào)鈦合金滲碳處理的相關(guān)研究也對(duì)滲碳后碳原子進(jìn)人鈦合金基體后形成的物相進(jìn)行研究，一致認(rèn)為是碳原子與鈦基體形成新的TiC相進(jìn)而提高鈦合金的表面硬度，同時(shí)碳原子進(jìn)人鈦基體會(huì)對(duì)鈦合金的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起“釘扎"作用，這2種作用共同導(dǎo)致TA31鈦合金的表面硬度提高,同時(shí)其表面耐磨性有明顯提升[1-1]。

為進(jìn)一步研究本次滲碳層的有效深度，對(duì)滲碳后試樣的滲碳截面進(jìn)行梯度顯微硬度測(cè)試，沿滲碳截面測(cè)試距離端面10、30、50、70、100μm處的顯微硬度。圖5為梯度顯微硬度測(cè)試結(jié)果，可以看出在距表面100μm時(shí)的顯微硬度達(dá)到362HV，相比表1中未滲碳1#試樣最高表面硬度313HV高49HV,因此可以得出本次滲碳處理的有效深度超過100 μml1618]。

2.3力學(xué)性能變化研究

對(duì)滲碳處理前后的TA31鈦合金材料按圖1取樣進(jìn)行弦向室溫拉伸及弦向沖擊性能對(duì)比測(cè)試,表2是具體測(cè)試結(jié)果。從表2可以看出,滲碳處理前TA31鈦合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度為858、773MPa，滲碳處理后的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度為839、763MPa，滲碳后TA31鈦合金的強(qiáng)度出現(xiàn)小幅降低。滲碳后TA31鈦合金的斷后伸長(zhǎng)率出現(xiàn)0.5%的較小幅度增高，斷面收縮率從未滲碳的38%提高到滲碳后的48%，表明滲碳后TA31鈦合金的塑性有較為明顯的提高。同時(shí)滲碳后TA31鈦合金的沖擊吸收功由111J下降到95.4J,表明材料的缺口敏感性降低。

滲碳后TA31鈦合金的強(qiáng)度降低、塑性提高、缺口敏感性降低，這些力學(xué)性能的變化規(guī)律結(jié)合滲碳后TA31鈦合金次生α相粗化情況分析其變化原因?yàn)橛捎跐B碳后TA31鈦合金的次生α相生長(zhǎng)變大，基體內(nèi)晶界減少,對(duì)室溫下塑性變形的晶?；谱璧K作用減弱，導(dǎo)致TA31鈦合金的力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度降低、塑性提高、缺口敏感性降低的變化[19-21]。

因此在實(shí)際工程應(yīng)用中要結(jié)合工況性能要求，適當(dāng)調(diào)整滲碳處理工藝參數(shù)，可以在強(qiáng)度性能較少降低、塑性略微提高的基礎(chǔ)上有效提高TA31鈦合金的表面硬度,進(jìn)而提高其耐磨性。

3、結(jié)論

(1)固體滲碳處理后TA31鈦合金的顯微組織會(huì)發(fā)生次生α相粗化，該變化導(dǎo)致滲碳后TA31鈦合金強(qiáng)度略微降低、塑性提高、缺口敏感性降低。

(2)通過固體滲碳處理后TA31鈦合金表面最高硬度達(dá)到945HV，較基體硬度提升約203%，有效硬化層超過100μm。滲碳處理可有效提高TA31鈦合金的表面硬度，改善其耐磨性。

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