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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
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-09-23
實驗所用材料為TA15鈦合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V），樣品表面經拋光后，采用強流脈沖電子束進行表面改性，電子束加速電壓為27 kV,靶極距離80 mm,脈沖次數為10次，脈沖間隔時間為45 s.
鈦合金因其一系列優異性能而獲得廣泛應用，但是，鈦合金摩擦系數高，對粘著磨損和微動磨損非常敏感，耐磨性差，高溫高速摩擦易著火，抗高溫氧化能力相對較差，這些缺點嚴重影響了其結構的安全性和可靠性，大大限制了它的應用。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。除改進合金的成分和制備工藝外，對鈦合金進行表面改性是目前最有效的方法。
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近年來，電子束表面處理技術快速發展，高能量密度的電子束作用到材料表面時使材料表面具有用常規方法難以達到的物理化學或力學性質，顯著提高材料表面的耐磨性、耐蝕性及耐高溫氧化性等。中冶東方工程技術公司采用脈沖高流低能電子束對鈦合金進行表面處理，取得了良好效果。
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實驗所用材料為TA15鈦合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V），樣品表面經拋光后，采用強流脈沖電子束進行表面改性，電子束加速電壓為27 kV,靶極距離80 mm,脈沖次數為10次，脈沖間隔時間為45 s.
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對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，材料能量吸收層內會萌發熱沖擊波，遇到界面會反射回來。多次輻照，造成應力波相互之間發生干涉疊加，呈現復雜的應力分布狀態，使截面顯微硬度出現特殊分布形式。
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經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方面：（1）電子束高能量瞬間沉積在材料次表層很小的區域內，使材料快速升溫到相變溫度或熔化溫度以上，然后靠基體導熱達到超高速冷卻（約109 K/s），使材料表面發生淬火效應，起到固溶強化的作用，因此表面的耐磨性提高；（2）電子束快速凝固過程會使材料表層晶粒細化，從而提高材料的耐磨性；（3）當電子束脈沖作用于材料表面時，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生向內傳播的壓縮熱應力波。殘余應力成壓應力分布，對提高耐磨性有益。
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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：
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（1）強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發生汽化或脫溶，起到清潔的作用；
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（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晶，可得到致密的非平衡組織結構，成分均勻，這也在一定程度上抑制了自腐蝕的發生；
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（3）材料表層的快速冷卻，使表面晶粒細化，從而導致陰陽極面積比例的變小，使腐蝕速度減小。
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近年來，電子束表面處理技術快速發展，高能量密度的電子束作用到材料表面時使材料表面具有用常規方法難以達到的物理化學或力學性質，顯著提高材料表面的耐磨性、耐蝕性及耐高溫氧化性等。中冶東方工程技術公司采用脈沖高流低能電子束對鈦合金進行表面處理，取得了良好效果。
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實驗所用材料為TA15鈦合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V），樣品表面經拋光后，采用強流脈沖電子束進行表面改性，電子束加速電壓為27 kV,靶極距離80 mm,脈沖次數為10次，脈沖間隔時間為45 s.
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對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，材料能量吸收層內會萌發熱沖擊波，遇到界面會反射回來。多次輻照，造成應力波相互之間發生干涉疊加，呈現復雜的應力分布狀態，使截面顯微硬度出現特殊分布形式。
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經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方面：（1）電子束高能量瞬間沉積在材料次表層很小的區域內，使材料快速升溫到相變溫度或熔化溫度以上，然后靠基體導熱達到超高速冷卻（約109 K/s），使材料表面發生淬火效應，起到固溶強化的作用，因此表面的耐磨性提高；（2）電子束快速凝固過程會使材料表層晶粒細化，從而提高材料的耐磨性；（3）當電子束脈沖作用于材料表面時，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生向內傳播的壓縮熱應力波。殘余應力成壓應力分布，對提高耐磨性有益。
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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：
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（1）強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發生汽化或脫溶，起到清潔的作用；
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（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晶，可得到致密的非平衡組織結構，成分均勻，這也在一定程度上抑制了自腐蝕的發生；
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（3）材料表層的快速冷卻，使表面晶粒細化，從而導致陰陽極面積比例的變小，使腐蝕速度減小。