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用電子束表面改性提高TA15鈦合金的耐磨耐蝕性能
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2015-08-17
提高鈦合金的耐磨、抗高溫氧化以及耐腐蝕等表面性能是急需解決的問題。除改進(jìn)合金的成分和制備工藝外，對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性是目前最有效的方法。
?????? 鈦合金因其一系列優(yōu)異性能而獲得廣泛應(yīng)用，但是，鈦合金摩擦系數(shù)高，對(duì)粘著磨損和微動(dòng)磨損非常敏感，耐磨性差，高溫高速摩擦易著火，抗高溫氧化能力相對(duì)較差，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重影響了其結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，大大限制了它的應(yīng)用。因此，提高鈦合金的耐磨、抗高溫氧化以及耐腐蝕等表面性能是急需解決的問題。除改進(jìn)合金的成分和制備工藝外，對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性是目前最有效的方法。
近年來，電子束表面處理技術(shù)快速發(fā)展，高能量密度的電子束作用到材料表面時(shí)使材料表面具有用常規(guī)方法難以達(dá)到的物理化學(xué)或力學(xué)性質(zhì)，顯著提高材料表面的耐磨性、耐蝕性及耐高溫氧化性等。中冶東方工程技術(shù)公司采用脈沖高流低能電子束對(duì)鈦合金進(jìn)行表面處理，取得了良好效果。
實(shí)驗(yàn)所用材料為TA15?鈦合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V），樣品表面經(jīng)拋光后，采用強(qiáng)流脈沖電子束進(jìn)行表面改性，電子束加速電壓為27?kV，靶極距離80?mm，脈沖次數(shù)為10?次，脈沖間隔時(shí)間為45?s。
對(duì)所獲試樣的硬度測試表明，隨著深度的增加，硬度值先降低后升高，最后趨于一個(gè)定值。這種特殊的振蕩式曲線分布可解釋為：在脈沖高能量快速輻照下，材料能量吸收層內(nèi)會(huì)萌發(fā)熱沖擊波，遇到界面會(huì)反射回來。多次輻照，造成應(yīng)力波相互之間發(fā)生干涉疊加，呈現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)力分布狀態(tài)，使截面顯微硬度出現(xiàn)特殊分布形式。
經(jīng)過電子束處理后的樣品，其磨損體積比原始樣品提高了3?倍，說明電子束處理后TA15?鈦合金耐磨性得以提高，其原因可能是以下三個(gè)方面:?（1）電子束高能量瞬間沉積在材料次表層很小的區(qū)域內(nèi)，使材料快速升溫到相變溫度或熔化溫度以上，然后靠基體導(dǎo)熱達(dá)到超高速冷卻(約109?K/s)?，使材料表面發(fā)生淬火效應(yīng)，起到固溶強(qiáng)化的作用，因此表面的耐磨性提高;?（2）電子束快速凝固過程會(huì)使材料表層晶粒細(xì)化，從而提高材料的耐磨性;?（3）當(dāng)電子束脈沖作用于材料表面時(shí)，溫度開始迅速升高，由于材料表層向外的快速熱膨脹受到約束而產(chǎn)生向內(nèi)傳播的壓縮熱應(yīng)力波。殘余應(yīng)力成壓應(yīng)力分布，對(duì)提高耐磨性有益。
腐蝕性能測試表明，電子束表面處理后腐蝕電位由原始樣品的-258.3?mV?上升到了-107.5?mV，極化電阻由原始樣品的0.796?k?/cm2?增加到了2.424k?/cm2，同時(shí)自腐蝕電流較原始樣品下降明顯。這說明樣品的耐腐蝕性能明顯提高。腐蝕性能改善的主要原因是:?(1)?強(qiáng)流脈沖電子束輻照在樣品表層所造成的高溫可以使材料表層吸附或黏著的雜質(zhì)發(fā)生汽化或脫溶，起到清潔的作用;?(2)?材料表面快速熔化，隨后又以同樣的高速凝固，這一過程抑制了平衡結(jié)晶，可得到致密的非平衡組織結(jié)構(gòu)，成分均勻，這也在一定程度上抑制了自腐蝕的發(fā)生;?(3)?材料表層的快速冷卻，使表面晶粒細(xì)化，從而導(dǎo)致陰陽極面積比例的變小，使腐蝕速度減小。
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