钛合金有两个显著的特性，一是比强度高，二是在特殊环境下耐蚀性好，无毒副作用，所以被广泛应用于航空航天、医疗、交通、化工等行业。但其耐磨性差、易产生氢脆，以及易燃烧、有时形成“钛火”的缺点又限制了它的进一步应用[1~3] ，使用等离子表面处理的方法即可改善其表面性能，提高它的耐蚀性、耐磨擦性、阻燃性能。

《1 加弧辉光离子无氢渗碳》

1 加弧辉光离子无氢渗碳

加弧辉光离子无氢渗碳是由固体石墨作为阴极靶材，钛合金作为基材，利用弧光放电产生高密度、高能量的碳离子流，在负偏压的作用下，把离子吸引到基材表面，依靠轰击、空心阴极效应和热扩散，在基材表面形成合金层。在合金层内形成 TiC 高硬度相，提高硬度，达到耐磨的目的。同时由于整个处理过程是在真空状态下进行的，没有含氢气体，所以没有氢元素侵入基体，可以避免氢脆的发生。

《1.1 设备及材料》

1.1 设备及材料

实验采用自行研制的加弧辉光离子渗金属设备（图 1），主要包括：真空系统、冷却系统、阴极系统、阴极靶（弧靶）装置、电源控制系统、旋转系统、测温系统、气体流量控制系统等。基材采用 Ti6Al4V 钛合金。

《图1》

图1 加弧辉光离子渗镀技术原理示意图

Fig.1 Bridged general view of glow discharge plasma with arc source

《1.2 实验结果》

1.2 实验结果

图 2 显示的是钛合金 Ti6Al4V （即 TC4），在 985 ℃，保温 2.5 h，弧靶距试样 15 cm，气压 36 Pa，偏压 700 V 的工艺条件下进行加弧辉光离子无氢渗碳后断面的金相显微组织，可以看到在表面形成了厚度约 34.55 的表面合金层。硬度测试显示表面硬度达 980 HV ，较原始材料相比提高了两倍多。表面硬度提高，耐磨性也就提高了。球盘磨损实验表明，表面摩擦系数降低到了 0.35（未处理时摩擦系数是 4.5 左右），耐摩擦性提高了一个数量级。

《图2》

图2 TC4 加弧无氢渗碳显微组织（200 ×）

Fig.2 Micrograph of carburized layer of TC4 after carburized by arc plasma glow discharge

《2 双层辉光离子无氢渗碳及碳氮共渗》

2 双层辉光离子无氢渗碳及碳氮共渗

使用高纯度固体石墨作为源极，钛合金作阴极，氩气为工作气体，在一定气压下产生辉光放电，溅射出碳的离子流，依靠轰击和热扩散及空心阴极效应在基材表面形成渗镀合金层。

《2.1 TC4 表面无氢渗碳》

2.1 TC4 表面无氢渗碳

TC4 处理后材料表面硬度提高了近 5 倍。图 3 至图 5 分别是 TC4 钛合金在 980 ℃，3 h，28 Pa 工艺条件下处理后表面渗层组织、成分分布、硬度曲线。 TC4 钛合金经双层辉光离子无氢渗碳处理后在表层生成了由四方晶系的 TiC 、石墨 C 等组成的合金层， TiC 相的形成及固溶强化作用使渗层硬度显著提高，耐摩擦磨损性能明显改善。摩擦系数由原来的 4.5 左右降低到了 0.2 左右[4~6] 。

《图3》

图3 TC4 渗碳显微组织（100 ×）

Fig.3 Micrograph of carburized layer of TC4

《图4》

图4 渗层成分曲线

Fig.4 Curve of elements concentration of TC4 after carburized

《图5》

图5 硬度曲线

Fig.5 Curve of hardness

《2.2 纯钛表面无氢渗碳》

2.2 纯钛表面无氢渗碳

图 6 、图 7 分别是工业纯钛在 30 Pa，980 ℃，保温 2.4 h，的条件下双层辉光离子无氢渗碳以后的显微组织、成分分布曲线。由图可见，表层形成了界线分明的渗层，其碳元素浓度由表及里呈梯度下降，渗层内形成了 TiC 相，其硬度也呈梯度下降。经球盘磨损实验证明，其耐磨性显著提高。

《图6》

图6 纯钛渗碳显微组织（100 ×）

Fig.6 Micrograph of carburized layer of titanium

《图7》

图7 渗层成分曲线

Fig.7 Curve of elements concentration

《2.3 碳氮共渗》

2.3 碳氮共渗

用高纯度的固体石墨作为源极，钛合金 TC4 作为阴极，一定比例的氩气和氮气为工作气体进行无氢碳氮共渗。该方法既提高了钛合金的耐摩擦性，又避免了由于使用含氢气体造成钛合金氢脆。图 8 ~ 图 10 为阴极电压 300 V ，电流 0.3 A ；源极电压 700 V ，电流 3 A ，温度 950 ℃，氩气与氮气体积比 4∶6 ，工作气压 35 Pa，源极与阴极距离 6 mm，保温时间 3 h 工艺参数下无氢碳氮共渗后的金相组织、成分分布及硬度分布曲线。碳氮共渗处理后 TC4 材料的最表层碳、氮元素含量很高，距表面 0.001 处分别达到了 58.36 %，32.9 %；钛元素含量较低，质量百分数仅为 7.804 %；从硬度曲线可以看出，经过碳氮共渗处理的钛合金表面硬度大幅度提高。如硬度曲线图 10 所示，距表面 13 处硬度达到了 770 HV 左右，比原试样提高了 2 倍多，并且由表层向里硬度成梯度降低，据曲线趋势和元素成分分布判断，在 6 ~ 7 以内硬度应该更高，而硬度的提高对增强材料的耐磨性能是非常重要的。摩擦磨损实验显示，经双层辉光离子无氢碳氮共渗处理后 Ti6Al4V 的粘着现象明显下降，摩擦系数降低一半，比磨损率降低了 4 个数量级。

《图8》

图8 Ti6Al4V 碳氮共渗后组织（× 200）

Fig.8 Microstructure of Ti6Al4V after carbonitrided

《图9》

图9 Ti6Al4V 表层 Ti，N，Al，C 元素含量曲线

Fig.9 Ti，N，C and Al Concentration in surface layer

《图10》

图10 Ti6Al4V 碳氮共渗后的硬度曲线

Fig.10 Microhandness of Carburizing Laver

《3 Ti - Cu 表面阻燃钛合金》

3 Ti - Cu 表面阻燃钛合金

使用钛合金 TC4 做基材，以纯铜为源极，氩气为工作气体，经过 870 ℃ 及 3.5 h 渗 Cu 处理后其表层断面金相组织如图 11 所示。基体为 α + β 组织，渗层为 α + β + 弥散分布的白色析出物，结合 Ti - Cu 相图及 XRD 分析可知，白色析出物为 Ti2Cu 金属间化合物，处理后试样表面的成分质量分数分布如图 12 所示，在近 150 处铜含量依然很高[7~9] 。一方面，渗层中弥散分布的 Ti2Cu 金属间化合物会起到强化作用，另一方面，高浓度的 Cu 含量会产生一定阻燃作用。阻燃实验采用液滴法进行，将熔化并燃烧的 TC4 液滴滴到 TC4 试样表面，试样很快与液滴一起燃烧；而滴到经渗 Cu 处理的试样表面，直到液滴烧尽，试样均没有燃烧的痕迹。其阻燃机理需要进行深入的探讨。

《图11》

图11 TC4 渗 Cu 后渗层截面显微组织（100 ×）

Fig.11 Micro_structure of alloyed layer corss_section

《图12》

图12 Cu 成分分布曲线

Fig.12 Cu concentration curve

《4 Ti - Cr 表面阻燃合金》

4 Ti - Cr 表面阻燃合金

一定量的 Cr 元素可以达到阻燃的目的。使用 TC4 为阴极，纯 Cr 板为源极，氩气为工作气体，利用洞穴式双层辉光离子渗金属方法，在 900 ℃ 下保温 3 h 对 TC4 进行渗 Cr 。图 13 、图 14 分别给出了 TC4 在渗 Cr 处理后的显微组织及铬成分含量曲线 [10~12] 。 X 射线衍射显示表层内含有 Cr2Ti 相。

《图13》

图13 TC4 渗 Cr 后显微组织

Fig.13 Micrograph of alloyed layer

《图14》

图14 Cr 成分曲线

Fig.14 Cr concentration curve

另外，采用双层辉光离子渗方法对钛合金 TC4 及工业纯钛进行渗 Mo 实验。结果显示，TC4 渗 Mo 以后比磨损率是原来的 1/500；工业纯钛渗 Mo 以后，比磨损率是原来的 1/300，显著改善了钛合金的耐磨擦性能，由于篇幅有限，文章不再赘述。

《5 结论》

5 结论

采用加弧辉光离子渗镀技术及双层辉光离子渗的方法，先后在钛合金材料的表面形成了具有良好性能的梯度合金层，极大地改善了钛合金的耐磨性、阻燃性能及抗氧化性等。