表面化学处理技术优化方案

为了提高钛及钛合金的耐磨性，利用表面强化技术，如化学热处理、高能束热处理等，在钛及钛合金表面形成氮化物、碳化物和硼化物等硬质相，从而提高其表面硬度和耐磨性，可以获得较好的效果。

工业纯钛要在高温才能渗氮，适合的温度范围是780～950℃。改变渗氮气氛可以生成两种化合物层，单相TiN或双相Ti₂N＋TiN。工业纯钛经离子渗氮后，耐磨性和耐蚀性大大提高。通过在氮气或在氮气-氢气气氛中加热处理，而在钛及钛合金表面形成Ti2N及TiN等硬质相，从而提高其表面耐磨性。使用真空（充气）石英管炉对纯钛进行气体渗氮，工艺流程如下：将已清洗和化学抛光的试样装入炉内，抽真空至6.666×10^－3 Pa左右，接着升温至800～970℃，然后通入纯的氮气，保温一定时间停炉空冷试验结果表明，纯钛经高温气体渗氮后，表面形成一层致密的Ti²N及TiN组成的膜其显微硬度（HV）可达1018（原始显微硬度为237）。通过对氮化温度、氮化时间、氮气压力和流量等因素对钛的氮化反应影响的研究，确定了钛表面气体氮化的工艺参数并对氮化覆层的相组成及各项性能进行了研究，氮化温度及时间是影响氮化反应的主要工艺因素，氮气压力和流量对氮化反应影响不大。在相同条件下，粉末烧结的钛合金与熔炼加工的钛合金比较，前者氮和钛的反应速度更快，氮化层深度更大，材料显示出更大的脆性，这是由于粉末烧结的钛合金中存在孔隙的结果。熔炼加工的钛氮化后，其硬度、耐磨性及在还原性腐蚀介质中的耐蚀性均比纯钛明显提高。气体渗氮工艺简单易行，但是，存在氮化速度慢、渗层薄、渗层脆等缺点。

以空气为介质对钛进行表面处理，外面的表面层由TiO₂和少量的TiN_xO_y组成内部的表面层由含有大量的空隙原子的α-Ti组成。等离子处理能够得到较厚的硬质表面处理层，并且增加钛的晶格系数和c／a值，间隙原子的浓度大，也能够形成固溶体。

等离子体渗氮是利用辉光放电来实现的，在等离子体渗氮过程中，等离子状态的氮离子被电场加速，撞击工件，离子动能转变为热能，使工件温度升高，同时通过离子冲击时的溅射作用及扩散作用，使氮原子向工件内部扩散，达到氮化的目的。利用纯氮氮-氢混合气体、氮-氩混合气体作为氮化源，对TA2纯钛和TC4钛合金进行离子氮化处理，金相分析表明，渗氮层是由化合物层和过渡层组成，化合物层中包括Ti₂N及TiN两种氮化物，过渡层则是氮在α钛中的固溶体。氮化处理后试样的表面硬度值见表4-21。由表可以看出，在940℃氮化2h的试样中，TA2纯钛的表面硬度值可提高6～8倍TC4合金的表面硬度值可提高4倍左右。

表4-21 TA2及TC4氮化试样的表面硬度(https://www.xing528.com)

注：N₂／A_r，N₂／H₂为摩尔比

采用辉光放电等离子对工业纯钛进行表面渗氧处理，结果表明渗氧层厚度与氧分压、温度和时间有明显的对应关系，特别是在空心阴极辉光放电条件下，离子轰击会加强氧的离子化，促进渗氧，有助于低价态氧化物的形成，在表面形成的氧化钛其硬度接近或达到氮化钛的硬度水平，表明等离子渗氧处理也可以为钛材提供一个致密并具有高硬度、耐磨抗蚀的表面改性层。通过对三种钛合金的高温渗氧行为的对比研究发现，同一条件下，纯钛（TA2）的氧化膜较薄；β钛合金（TB5）形成较厚的氧化膜，有贫铝区形成；α/β双相钛合金（TC11）的氧化膜很薄且致密。三种钛合金中均存在较厚的氧在α相中的扩散固溶层且显微硬度得到提高。三种钛合金的氧化动力学曲线均呈抛物线形。β钛合金渗氧过程以氧化为主；双相钛合金及α钛合金渗氧过程以氧的固溶为主，因此，其氧化动力学应该考虑氧固溶的影响。