滲碳處理對TA31鈦合金棒組織及性能影響

TA31鈦合金是一種名義成分為Ti-6Al-3Nb2Zr-1Mo的近α型鈦合金，除具備鈦合金傳統的高比強度外，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鈦合金發展成為海洋工程裝備中常用的一種鈦合金。但在實際應用過程中,TA31鈦合金遇到與其他牌號鈦合金相同的挑戰。因TA31鈦合金硬度較低導致表面耐磨性較差，產品實際使用壽命較低。隨著全球航空航天和航海事業的快速發展，以及金屬加工制造領域的技術迭代，提高鈦合金表面硬度可以通過表面處理的工藝實現，鈦合金表面處理方式發展至今，主要包括表面滲氮、表面滲碳、陽極氧化、微弧氧化等技術[2-4]。

滲碳處理是鈦合金工件常用的一種表面處理方式，根據具體滲碳工藝的不同可細分為固體滲碳、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備中進行氧碳共滲，發現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上進行，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性能的影響。

1、實驗材料與方法

實驗選用西安超晶科技股份有限公司生產的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的Φ200mmx30mm的試樣塊,標記為1#和2#,其中1#試樣為對比試樣，不進行任何處理，,對2#試樣進行固體滲碳處理。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的50目石墨粉、99.99%的碳酸鋇作為原材料，按9:1的質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，執行900℃保溫420min后隨爐冷卻的工藝進行滲碳處理。

滲碳處理完成后對1#及2#試樣塊按同樣的取樣方式進行取樣，取樣位置及試樣規格如圖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在相應位置截面中心厚度處取樣，所取試樣為Φ200mmx30mm試樣塊的內部試樣，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性能測試更具代表性,反映材料基體本身的力學性能，研究長時間高溫處理對TA31鈦合金基體材料的力學性能有無明顯影響。

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、JBS-300型沖擊試驗機、X'PertPRO型X射線衍射儀等設備對相應試樣進行檢測，對比滲碳前后TA31鈦合金顯微組織及力學性能的差異。

2、實驗結果及討論

2.1顯微組織

為研究持續高溫滲碳后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組織,組織類型未發生變化。

但滲碳后TA31鈦合金的次生α相發生粗化，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420min以上的高溫過程，次生α相在高溫能量驅動下逐漸長大，導致滲碳后TA31鈦合金的次生α相發生粗化。

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行測試。對未進行滲碳處理的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行表面顯微硬度測試，首先分別在2個試樣表面任選3點測試表面硬度，以對比表征滲碳處理對TA31鈦合金表面硬度的提高程度，測試數據如表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種試樣的硬度數據分布集中，表明兩種狀態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行XRD分析，如圖4所示。從XRD測試結果可以看出，試樣表面除了α-Ti的衍射峰外，出現了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研究也對滲碳后碳原子進人鈦合金基體后形成的物相進行研究，一致認為是碳原子與鈦基體形成新的TiC相進而提高鈦合金的表面硬度，同時碳原子進人鈦基體會對鈦合金的位錯運動起“釘扎"作用，這2種作用共同導致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果，可以看出在距表面100μm時的顯微硬度達到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是具體測試結果。從表2可以看出,滲碳處理前TA31鈦合金的抗拉強度及屈服強度為858、773MPa，滲碳處理后的抗拉強度及屈服強度為839、763MPa，滲碳后TA31鈦合金的強度出現小幅降低。滲碳后TA31鈦合金的斷后伸長率出現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鈦合金的強度降低、塑性提高、缺口敏感性降低，這些力學性能的變化規律結合滲碳后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，基體內晶界減少,對室溫下塑性變形的晶粒滑移阻礙作用減弱，導致TA31鈦合金的力學性能會出現強度降低、塑性提高、缺口敏感性降低的變化[19-21]。

因此在實際工程應用中要結合工況性能要求，適當調整滲碳處理工藝參數，可以在強度性能較少降低、塑性略微提高的基礎上有效提高TA31鈦合金的表面硬度,進而提高其耐磨性。

3、結論

(1)固體滲碳處理后TA31鈦合金的顯微組織會發生次生α相粗化，該變化導致滲碳后TA31鈦合金強度略微降低、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：

[1]繆頓.氧元素對TA31合金熱變形行為及熱鍛組織力學性能的影響研究[D].秦皇島：燕山大學，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/滲碳化調控DLC涂層膜基界面及磨損行為的機理研究[D].蘇州：蘇州大學,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制研究[D].長春：吉林大學,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環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律研究[D]貴陽：貴州師范大學，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鈦合金力學性能的影響[D].南京：南京航空航天大學，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.鈦合金表面強化處理工藝及其性能研究[D].成都：西南交通大學，2013.

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