华南理工大学高岩教授团队：高频电源与活性屏离子渗氮对表面纳米化TC4钛合金渗氮层结合力的影响
2024-11-01 13:15:03
作者：表面云社区 来源：表面云社区
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钛合金因其优异的力学性能、耐蚀性和生物相容性，在航空航天、海洋工程及生物医用等领域有着广泛的应用。其中，Ti-6Al-4V（TC4）钛合金具有比强度高和耐腐蚀性能好的显著优点，应用最为广泛。但钛合金普遍存在表面硬度低、耐磨性不高的问题，通过表面改性处理，在钛合金表面生成硬度高、耐磨性好的改性层，是解决该问题的常见方法。离子渗氮作为常用的表面处理方法，能够提高钛合金的表面硬度及耐磨性。华南理工大学高岩教授团队对钛合金离子渗氮设备进行了改装与工艺参数优化，包括改装高频电源与偏压电源，研究渗氮气压、活性屏高度和偏压对活性屏离子渗氮的影响，并在当前设备条件下，以渗氮层表面均匀性和渗层厚度为判断标准，获得低温活性屏离子渗氮的优化参数为500 ℃-20 h-200 Pa-400 V偏压-高频电源，但是对于高频电源与活性屏参数优化对表面纳米晶TC4钛合金渗氮层结合力的影响还缺乏评价。高频电源的高通/断电转换频率在有效抑制离子渗氮打弧现象的同时，可以缓解渗氮层内部的热应力聚集，可能对渗氮层的结合力有积极影响，值得进行相关研究。同时，综合评估高频电源+活性屏优化后的离子渗氮参数对表面纳米化TC4样品表面渗氮层结合力的影响，对钛合金表面离子渗氮层的应用性能有着重要的指导意义。
1）高频电源能有效抑制渗氮过程中的打弧现象和边缘效应，缓解渗氮过程中的热应力聚集，主要表现在高频电源离子渗氮后声信号平稳，划痕边缘无明显的块状剥落产生；渗氮层能承受更大的正向载荷作用，改善渗氮层与基体的结合力。高频电源TC4渗氮试样表面渗氮层摩擦力信号突变点对应的载荷值（5.1、5.2 N）较直流电源渗氮试样的载荷值（初始加载开始）均有一定提升，摩擦力信号的增加速度较慢，即在低载荷下试样表面摩擦系数更低，反映高频电源对渗氮层载荷承受力和结合力有一定提升作用。
2）在高频电源与活性屏组合工艺下，渗氮参数（气压，偏压）优化后渗氮试样的渗氮动力学条件更好（氮的扩散作用更显著），渗氮层厚度尤其是Ti2N层厚度增加显著。渗氮参数优化前，原始-渗氮与喷丸-渗氮试样的TiN与Ti2N层厚度为分别为0.4 μm/0.1 μm和0.5 μm/0.1 μm；渗氮参数优化后，原始-渗氮和喷丸-渗氮试样的TiN与Ti2N层厚度分别为1.5 μm/2.0 μm和1.6 μm/3.7 μm。3）渗氮参数（气压，偏压）优化导致的渗氮层厚度大幅提升，也带来渗氮层结合力的明显改善，在划痕试验的声信号上表现为更平稳及无明显突变的特征，在摩擦力信号上表现为斜率突变点对应的载荷大幅升高。渗氮参数优化前原始-渗氮和喷丸-渗氮试样对应的载荷为3.9、4.9 N，渗氮参数优化后原始-渗氮和喷丸-渗氮试样对应的载荷为7.5、11.5 N。说明高频电源+活性屏工艺组合对表面纳米化TC4钛合金渗氮层的结合力有明显提升作用。4）渗氮参数优化及表面喷丸纳米化处理，均使钛合金表面渗氮层中Ti2N层的厚度明显增加，说明氮原子在基体中的扩散得到显著增强，这一方面会提高基体中氮扩散层的性能，另一方面厚度增加的Ti2N可以减缓TiN层与基体的成分与性能的突变，从而提升渗氮层与基体的结合力。
该文章发表在《表面技术》第53卷第17期。
引文格式：高鸿, 文凯, 张乘玮, 等. 高频电源与活性屏离子渗氮对表面纳米化 TC4 钛合金渗氮层结合力的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(17): 157-169.
GAO Hong, WEN Kai, ZHANG Chengwei, et al. Effect of High Frequency Power Supply and Active Screen Plasma Nitriding on the Adhesion of Surface Nano-sized TC4 Titanium Alloy Nitriding Layer[J]. Surface Technology, 2024, 53(17): 157-169.
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