TC4 钛合金离子渗氮组织与力学性能

都海刚，冯秋元，陈秉刚，张永强，姚小飞，王 俭

（1.宝鸡钛业股份限公司，陕西 宝鸡 721014；2.西安工业大学，陕西 西安 710000）

钛及钛合金具有最高的比强度，良好的高、低温性能，在海水中及氧化性介质中有极高的耐腐蚀性能等优点，是现代技术中最有前途的结构材料[1]，在航空航天、船舶行业、石油化工、生物医疗以及其它民用工业等领域都得到了广泛的应用。然而钛合金的缺点也相当的明显，表面硬度低、耐磨损性能差。在滑动摩擦条件下，易与摩擦材料发生粘附，产生磨损，摩擦和磨损抗力相当低，严重限制了其应用范围。因此，提高钛合金耐磨性能成为了目前国内外研究的热点[2]，对于离子渗氮后室温力学性能系统研究的很少。

本文采用离子渗氮方法使TC4 表面形成的TiN 涂层（薄膜）具有高硬度（理论硬度21GPa）、优异的耐热耐磨性能[3]和耐腐蚀等特性[4]，同时获得在一些领域具有装饰性薄膜[5-8]；开展了渗氮后金相组织对室温拉伸冲击及显微硬度影响研究，为TC4钛合金进一步在耐磨部件和腐蚀介质中推广应用提供技术依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验材料为宝钛股份科研用退火态φ250mmTC4 钛合金棒材，相变温度为990±5℃，化学成分见表1。

表1 实验材料化学成分（wt.%）

1.2 实验方法

取横向拉伸试样和AKU 夏比冲击试样各8 个，拉伸试样规格为φ80mm，冲击试样规格为10mm×10mm×55mm。其中选取各4 个试样直接进行性能测试，另外各4 个试样在LDMC-100F离子渗氮设备中进行渗氮处理，考虑到钛的氢脆性，采用氮气和氩气的混合气体为渗氮介质[10]，N2：Ar=1：1，渗氮温度840℃，渗氮时长16h，渗氮压力350pa,电压600V，在试样表层形成渗氮层。

采用日本岛津XRD6000 型X 射线衍射仪分析渗氮层相结构，利用ZEISS Axlover200MAT 光学显微镜观察显微组织，采用威尔逊2100B 硬度计检测显微硬度（HV2），采用INSTRON5885型电子式万能拉伸试验机测试拉伸性能，采用JNS-300 型冲击试验机测试夏比冲击功，利用日本电子JSM480 型扫描电镜观察断口形貌。金相试样腐蚀液为：10%HNO3+5%HF+85%H2O（体积分数）。

2 结果与分析

2.1 渗氮层显微组织

TC4 钛合金离子渗氮前后的金相组织如图1 和图2 所示，从图1 可以看出，TC4 基体为等轴状的α 和层片状α+β 组织，且等轴状α 组织较粗大，片层状α+β 组织较细小。从图2 可以看出，渗氮层厚度约为100μm，由表及里，α 相由粗大连续的块状逐渐变为间距较小的层片状，进一步转变为等轴状。这表明，TC4 钛合金离子渗氮后，渗氮层组织发生了明显的改变，由原始的等轴状α 和层片状α+β 组织转变为表面层粗大连续α 组织和过渡层α+β 层片状组织。

图1 TC4 基体组织×200

图2 TC4 渗氮层组织×200

2.2 渗氮层相结构

图2 为TC4 钛合金表面离子渗氮层的X 射线衍射谱，分析可知，渗氮层由3 种相构成，即化合物Ti2N，化合物TiN 及由Al3Ti、Ti 和Ti2N 组成的a-Ti 固溶体，其中以Ti2N 和Ti 相为主。

图3 TC4 渗氮层的XRD 谱图

图4 渗氮试样显微硬度随深度的变化曲线图

2.3 硬度

图3 为TC4 钛合金渗氮后由表及里硬度的变化规律如图3 所示，可以看出，基体硬度约为300HV0.2，渗氮表面层硬度约为800HV0.2，这表明TC4 钛合金离子渗氮层硬度较基体有大幅度的提高，增大幅度超过2 倍。从硬度由表及里的变化规律来看，硬度依次逐渐降低，硬度增大区间也表明了TC4 钛合金渗氮层的深度约为100μm，这和渗氮层截面显微组织变化的规律相一致。

2.4 拉伸性能与夏比冲击功

TC4 钛合金离子渗氮前后的拉伸性能检测结果见表2.可以看出，TC4 钛合金离子渗氮后，抗拉强度、屈服强度均有明显的提高，提高了约20MPa ～50MPa，但断后延伸率和断面收率显著降低，伸长率下降了约50%，断面收缩率下降了约60%，夏比冲击功值略有降低，下降了约10%。这主要是由于TC4 钛合金渗氮层形成了Ti2N 和TiN 等硬脆相，渗层主要由Ti2N 相构成，高硬度的TiN 相分布在表层，试样收到力的作用后，由于渗氮层与基体间硬度的差异造成形变协调能力不一致,在试样表面容易产生裂纹；导致了材料的脆性增大、塑韧性变差。根据强度和硬度的正比关系[11]，渗氮层中Ti2N 和TiN 相是造成材料强度提高、塑性下降的原因。

表2 渗氮前后室温力学性能对比

2.5 断口分析

TC4 钛合金离子渗氮后的拉伸断口和冲击断口的形貌如图5 和图6 所示。可以看出，拉伸试样裂纹由塑性区向脆性区扩展，其塑性区断裂机理为微孔聚集型；冲击试样裂纹由脆性区向韧性区扩展，故离子渗氮对于冲击韧性降低不明显，对拉伸的强度有所提高，显微硬度可以得到明显提高，塑性指标降低较多。冲击断口四周可以看到有亮色的区域，平浅的韧窝呈河流花样状，断裂机理为解理断裂，表层为脆性断裂层，宽度约100μm，与金相渗层厚度一致；在靠近渗层处出现了宽度约100μm ～200μm的细浅韧窝带，结合相对应位置金相组织中亮斑来分析，细小浅韧窝带出现可能与氮在材料内部扩散形成Ti2N 相有关，在局部聚集出现亮斑，这与图2 金相组织中出现的亮斑吻合，在渗氮层和本体体之间形成一个韧性断裂和脆性断裂的平坦过渡带，呈河流状花样，这是准理解理断裂典型特征，冲击式样的韧脆转变过渡带小于室拉试样可能与裂纹扩展方向有关。

图5 拉伸试样断口形貌SEM

图6 冲击试样断口形貌SEM 图

3 结论

（1）TC4 钛合金离子渗氮层相成分主要有Ti2N、TiN 及由Al3Ti、Ti 和Ti2N 组成的a-Ti 固溶体，组织形态为表面层粗大连续α 组织和过渡层α+β 层片状组织。

（2）TC4 钛合金离子渗氮后，离子渗氮层硬度较基体提高约2 倍，达到800HV0.2，抗拉强度、屈服强度均有明显的提高，断后延伸率和断面收率显著降低，夏比冲击功值略有降低。渗氮层中Ti2N 和TiN 相是造成TC4 钛合金强度提高、塑韧性下降的主要原因[9-12]。