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TA31鈦合金顯微組織及力學(xué)性能的影響。

1、實(shí)驗材料與方法

實(shí)驗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#試樣為對比試樣，不進(jìn)行任何處理，,對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)性能測試更具代表性,反映材料基體本身的力學(xué)性能，研究長時間高溫處理對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萬能拉伸試驗機(jī)、JBS-300型沖擊試驗機(jī)、X'PertPRO型X射線衍射儀等設(shè)備對相應(yīng)試樣進(jìn)行檢測，對比滲碳前后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,對兩種試樣的顯微組織進(jìn)行對比，圖2是滲碳處理前后TA31鈦合金基材的顯微組織照片。對比圖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)動下逐漸長大，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，對滲碳前后TA31鈦合金試樣表面硬度進(jìn)行測試。對未進(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)行表面顯微硬度測試，首先分別在2個試樣表面任選3點(diǎn)測試表面硬度，以對比表征滲碳處理對TA31鈦合金表面硬度的提高程度，測試數(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，對滲碳試樣塊表面取樣進(jìn)行XRD分析，如圖4所示。從XRD測試結(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相的生成會使材料表面硬度有較為明顯的提高。其他牌號鈦合金滲碳處理的相關(guān)研究也對滲碳后碳原子進(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，同時碳原子進(jìn)人鈦基體會對鈦合金的位錯運(yùn)動起“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，對滲碳后試樣的滲碳截面進(jìn)行梯度顯微硬度測試，沿滲碳截面測試距離端面10、30、50、70、100μm處的顯微硬度。圖5為梯度顯微硬度測試結(jié)果，可以看出在距表面100μm時的顯微硬度達(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比測試,表2是具體測試結(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為由于滲碳后TA31鈦合金的次生α相生長變大，基體內(nèi)晶界減少,對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。

參考文獻(xiàn)：

[1]繆頓.氧元素對TA31合金熱變形行為及熱鍛組織力學(xué)性能的影響研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2019.

MIAO D. Study on the effect of oxygen contents on hot deformation behavior and mechanical properties of hot forged structure of TA31 alloy[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2019.

[2]WU X P, KALIDINDI S R, NECKER C, SALEM A A. Prediction of crystallographic texture evolution and anisotropic stress-strain curves during large plastic strains in high purity α-titanium using a Taylor-type crystal plasticity model[]. Acta Materialia, 2007, 55(2): 423-432,

[3]ASK M, ROLANDER U, LAUSMAA J, KASEMO B. Microstructure and morphology of surface oxide films on Ti-6Al-4V[J]. Journal of Materials Research, 1990, 5(8): 1662-1667.

[4] KHAN R H U, YEROKHIN A, LI X, DONG H, MATTHEWS A.Surface characterisation of DC plasma electrolytic oxidation treated 6082 aluminium alloy: Effect of current density and electrolyte concentration[J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 205(6):1679-1688.

[5]KIM T S, PARK Y G, WEY M Y. Characterization of Ti-6Al-4V alloy modified by plasma carburizing process[J]. Materials Science and Engineering: A, 2003, 361(1-2): 275-280.

[6] TESSIER P Y, PICHON L, VILLECHAISE P, LINEZ P, ANGLERAUD B, MUBUMBILA N, FOUQUET V, STRABONI A,MILHET X, HILDEBRAND H F. Carbon nitride thin films as protective coatings for biomaterials: Synthesis, mechanical and biocompatibility characterizations[3J. Diamond and Related Materials,2003, 12(3-7): 1066-1069.

[7] 董幫柱.鈦合金表面微織構(gòu)/滲碳化調(diào)控DLC涂層膜基界面及磨損行為的機(jī)理研究[D].蘇州：蘇州大學(xué),2022.

DONG B Z. Mechanism study on Ti-alloy surface micro-texture/carburizing regulation DLC coatings film-substrate interface and wear behavior[D]. Suzhou: Soochow University, 2022.

[8] KONKHUNTHOT N, PHOTONGKAM P, WONGPANYA P. Improvement of thermal stability, adhesion strength and corrosion performance of diamond-like carbon films with titanium doping[J].Applied Surface Science, 2019, 469: 471-486.

[9]JI S C, LI J L, WANG S P, YANG H Y, CHANG C Y. Performance of oxygen-carbon Co-cementation coating on titanium alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2022, 51(11): 3956-3963.

[10]張赫.鈦合金的磨損行為與滲碳層的生長機(jī)制研究[D].長春：吉林大學(xué),2024.

ZHANG H. Investigation on wear behavior and carburized layer growth mechanism of Ti alloys[D]. Changchun: Jilin University,2024.

[11]代燕,吳旋，楊峰,李坤茂，劉靜,歐梅桂.TC6鈦合金滲碳層在不同介質(zhì)環(huán)境中的腐蝕磨損性能[]中國表面工程,2020,33(2)：47-56.

DAI Y, WU X, YANG F, LI K M, LIU J, OU M G. Corrosion and wear properties of carburized layer on TC6 titanium alloy in different environments[JJ. China Surface Engineering, 2020, 33(2):47-56.

[12] YUE H C, GAO S S, LI Y, YU H Y. Nano-friction properties research of pure titanium surface by means of nitrogen plasma ion implantation technique[J]. International Journal of Stomatology,2012, 39(3): 317-320.

[13] XING Y Z, JIANG C P, HAO J M. Time dependence of microstructure and hardness in plasma carbonized Ti-6Al-4V alloys [J]. Vacuum, 2013, 95: 12-17.

[14] LUO Y, RAO X, YANG T, ZHU J H. Effect of solid carburization n the tribological behaviors of Til3Nb13Zr alloy[J]. Journal of Tribology, 2018, 140(3): 031604.

[15]姬壽長，李爭顯，羅小峰，杜繼紅，華云峰，王彥鋒.TC21鈦合金表面無氫滲碳層耐磨性分析[].稀有金屬材料與工程，2014,43(12): 3114-3119.

JI S C, LI Z X, LUO X F, DU J H, HUA Y F, WANG Y F.Wearability analysis of hydrogen-free carburized coating on TC21 titanium alloy surface[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2014, 43(12): 3114-3119.

[16] TSUJI N, TANAKA S, TAKASUGI T. Effect of combined plasma-carburizing and deep-rolling on notch fatigue property of Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2009,499(1-2): 482-488.

[17]汪旭東，陳康敏，周飛，全成.滲碳時間對TC4鈦合金顯微組織和強(qiáng)化效果的影響[].金屬熱處理,2017,42(10)：16-22.

WANG X D, CHEN K M, ZHOU F, QUAN C. Effect of carburizing time on microstructure and strengthening effect of TC4 titanium alloy[JJ. Heat Treatment of Metals, 2017, 42(10): 16-22.Mar.2025

[18] ATAR E, SABRI KAYALI E, CIMENOGLU H. Characteristics and wear performance of borided Ti6Al14V alloy[J]. Surface and Coatings Technology, 2008, 202(19): 4583-4590.

[19]李振鵬.TA2鈦合金快速滲碳工藝及組織演變規(guī)律研究[D]貴陽：貴州師范大學(xué)，2019.

LI Z P. Research on rapid carburizing process and microstructure evolution of TA2 titanium alloy[D]. Guiyang: Guizhou Normal University,2019.

[20]趙瑞博.雙輝等離子無氫滲碳對TC4鈦合金力學(xué)性能的影響[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2020.

ZHAO R B. Effect of double glow plasma hydrogen-free carburizing on mechanical properties of TC4 titanium alloy[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2020.

[21]鄒勇.鈦合金表面強(qiáng)化處理工藝及其性能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

ZOU Y. Study on the process and properties of titanium alloy after surface strengthen [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University,2013.