钛合金离子渗氮工艺优化

钛及钛合金具有很高的比强度、耐热性、耐蚀性和低温性能，广泛地用于航空、航天、化工、造船及精密机件、人工关节等领域和产品，但钛及钛合金普遍存在硬度低、耐磨性差、不耐还原性介质腐蚀等缺点，因而限制了它们的应用。离子渗氮处理可提高钛及钛合金的硬度、耐磨性和耐蚀性。

钛及钛合金一般采用不含氢的气氛进行离子渗氮，以防氢脆。若用氮氢混合气或氨气渗氮，渗氮后冷至600℃即应停止供氢。在纯氮条件下，最佳工作气体压力为1197～1596Pa，温度为800～950℃，低于500℃无渗氮效果。

渗氮处理后，钛及钛合金表面呈金黄色，且色泽随渗氮温度提高而加深。在800～850℃范围内渗氮，表面组织由α+δ（TiN）+ε（Ti₂N）组成。离子渗氮温度对渗层深度和表面硬度的影响见图9-49、图9-50。

图9-49 离子渗氮温度对渗层深度的影响

注：采用纯N₂，1.20～1.33kPa（9～10Torr），2h。

图9-50 离子渗氮温度对TC2钛合金表面硬度的影响

注：采用φ（N₂）∶φ（H₂）=1∶1气氛，0.67kPa（5Torr），3～5h。

TC4（Ti-6Al-4V）钛合金经1000℃×3h离子渗氮处理的渗层金相组织如图9-51所示。在渗层的横截面上，最表面是一层复杂的化合物层，深度约为4μm，相结构为δ-TiN和ε-Ti₂N；化合物层与心部之间是20μm左右的以α为基的扩散层。(www.xing528.com)

钛合金的摩擦因数较高，耐磨性能较差，离子渗氮处理可有效地改善它的摩擦学性能。

表9-21为部分钛及钛合金离子渗氮工艺及表面硬度、耐蚀性。

除了钛及钛合金可采用离子渗氮方法进行表面强化外，对于其他部分有色金属，也有一些离子渗氮的尝试，如铝、钼、钽、铌等，预计在不远的将来，离子渗氮技术将会在更多的材料表面强化中得到应用。

图9-51 TC4钛合金经1000℃×3h离子渗氮处理的渗层金相组织

表9-21 部分钛及钛合金离子渗氮工艺及表面硬度和耐蚀性

① 离子渗氮结束后600℃停氢。