热氧化处理钛表面渗氧层的组织与性能研究

商业用纯钛在空气炉中700℃~900℃,1 h^4 h 进行热氧化处理,得到由氧化层和渗氧层构成的表面结构。通过金相观察、显微硬度测试、X 射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)分析,研究了渗氧层的结构和性能。结果表明,经一定温度及时间处理,试样渗氧层被一条连续的界线分为内渗氧层和外渗氧层,在光学显微镜下观察,内外两层渗氧层形貌无差别,但在扫描电镜下观察可发现在较高温度形成的外渗氧层较疏松,内渗氧层则仍致密。随着热处理温度的升高、时间的延长,渗氧层厚度和含氧量增加,晶格常数c 伸长,表面硬度显著增大。

高温氧化后Ti6Al4V合金渗氧层的微观结构和力学性能

在850℃对Ti6Al4V(TC4)钛合金板分别进行12,24,36,48h的氧化处理,研究了高温氧化处理后合金近表面渗氧层的微观结构和力学性能。结果表明:高温氧化后的钛合金板表面出现了渗氧层,它是由间隙氧原子的固溶形成的,渗氧层中的氧含量呈梯度分布;随着深度增加,渗氧层的纳米硬度、弹性模量和残余拉应力逐渐下降;氧原子固溶于基体中引起了晶格常数的变化,这是导致梯度结构形成且力学性能提高的主要原因;残余应力的变化是氧化过程中的氧扩散和空冷过程中的热应力共同作用的结果。

N80钢表面碳、氮、氧、铬共渗层的组织和耐腐蚀性能

采用低温气体多元共渗技术在N80钢表面制备了碳、氮、氧、铬共渗层,采用SEM、EDS等分析了渗层形貌、厚度及共渗元素的分布;采用XRD测定了共渗层的相组成;在饱和CO_2模拟油田介质中测试了共渗层的极化曲线与渗层的腐蚀速率。结果表明:渗层厚约70μm,由靠近基体含有大量Cr-O相约40μm厚的氧化物层、紧邻氧化物层含有ε、γ′相约15μm厚的氮化物层及最外层的铁氧化物层组成;碳、氮、氧、铬共渗层自腐蚀电位比基体正移320 mV,在饱和CO_2模拟油田介质中腐蚀速率仅为基体的1/3。

TC4钛合金真空脉冲渗氧腐蚀性能的研究

采用真空脉冲渗氧的方法在Ti6A14V钛合金表面制备渗氧层,通过失重法、电化学测试及扫描电镜分析对渗氧层腐蚀性能进行了研究。结果表明,渗氧层表面形貌为均匀致密的凹坑结构,在50 mL/L HF+200 mL/L HNO3混合体系中进行加速腐蚀后膜层表面基本保持完好,其腐蚀速率是基体腐蚀速率的1/13,自腐蚀电位由基体的-0.763 V提高到-0.483 V,腐蚀电流降低两个数量级,真空脉冲渗氧能极大地改善钛合金的耐腐蚀性。

氨流量对离子渗氮层形成的影响

在一定渗氮温度条件下，研究了４５钢和４０Ｃｒ钢进行离子渗氮时，氨流量对渗氮层形成的影响。结果表明，氨流量影响ε相的形成速度和渗氮层深度；通入大流量氨，会促进ε相形成。ε相是一个介稳相，它的形成与分解，在一定的氨流量时达到动平衡。

脉冲渗氧对工业纯钛表面摩擦磨损性能的影响

采用脉冲渗氧的方法在不同温度、时间下对工业纯钛进行渗氧处理,以改善其在应用过程中的耐磨损性能。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机分别对试样表层的特征峰强度、形貌特征、压痕硬度、表面摩擦因数及磨痕截面积进行测试。结果表明:经脉冲渗氧处理在工业纯钛试样表面形成氧化层和氧扩渗层;与连续渗氧试样和原始试样相比,700℃脉冲渗氧6 h试样的表面硬度最大,为15.39 GPa,约为同等参数下连续渗氧试样的1.7倍和原始试样的7.3倍;800℃脉冲渗氧4.5 h试样的摩擦因数和磨痕截面积最小,分别为0.24和317.44μm^(2).。试样的黏着磨损被明显削弱,耐磨损性能得到提高。

表面渗氧强化对TC4钛合金力学性能的影响

采用氧增强扩散渗氧强化技术对TC4钛合金进行表面强化处理,利用显微硬度计测量渗氧层中的硬度分布,利用光学显微镜(OP)研究渗氧前后材料的微观组织变化,通过单轴拉伸试验研究表面渗氧强化处理对材料力学性能的影响。结果表明:经渗氧强化处理后,表面形成约150μm的渗氧强化层,表面硬度较基体提高一倍以上,约为950 HV,但力学性能下降明显,其中屈服强度下降约16%,抗拉强度下降约13%,延伸率下降约35%。材料力学性能降低的原因主要是渗氧强化处理过程中的高温作用,导致基体晶粒长大;表面渗氧强化层在小应变阶段即发生脆性开裂。

TC4钛合金的高温氧化动力学行为

在600~850℃对TC4钛合金进行了0.3~80h的氧化试验,研究了氧化对其宏观形貌、截面硬度、截面形貌等的影响,分析了其高温氧化动力学行为。结果表明:随着温度的升高和氧化时间的延长,TC4钛合金表面氧化膜经历了完整→开裂→剥落→严重剥落→全部剥落的过程;钛合金近表面形成的渗氧层厚度随氧化时间的延长和温度的升高而增加;当氧化温度在600~650℃时,钛合金的氧化动力学曲线符合抛物线规律,氧化温度为750~850℃时符合线性规律,当氧化温度为700℃,氧化时间小于8h时符合抛物线规律,氧化时间超过8h时符合线性规律;不同氧化温度和时间下,硬度随距表面距离的增加而降低。

预热方式对3Cr13不锈钢氮碳氧复合渗层厚度及性能的影响

经淬火、回火处理后,对3Cr13不锈钢进行氮碳氧复合渗可提高其硬度和耐蚀性,研究了不同预热方式对该钢复合渗层硬度和耐蚀性的影响。结果表明：不预热直接进行氮碳氧复合处理后,3Cr13不锈钢渗层薄,且不均匀;经400℃空气炉中预热及氧化盐浴中预热后,渗层厚度较厚,且均匀。3Cr13不锈钢经复合处理后表层硬度大幅提高,400℃空气炉中及氧化盐浴中预热试样表层（距表面距离≤45μm）硬度比不预热试样硬度高100～150 HV0.1。3Cr13不锈钢复合渗层耐蚀性由高到低为：400℃空气炉中预热、400℃氧化盐浴中预热、不预热。

550℃表面渗氧对Ti-6Al-4V合金耐磨性能的影响

对Ti-6Al-4V合金550℃的空气中渗氧60 h后的表面形貌、显微组织、成分、硬度、划刻性能和耐磨性进行研究,并与未处理的钛合金进行了比较。结果表明,渗氧后的钛合金表面粗糙度有所增加,表层形成约3.5μm厚的渗氧层,X射线衍射(XRD)检测到了锐钛矿相、金红石相、板钛矿相Ti O2和Al2O3相。渗氧层的显微硬度和纳米硬度分别为804.6 HV0.025和14.5 GPa,比未处理的基体提高了143.7%,且压痕周围未见裂纹;渗氧后钛合金表面最大划痕深度由12μm降至4μm,磨损率由354.33×10^(-6)mm^(3)/Nm降至1.44×10^(-6)mm^(3)/Nm,渗氧层的主要磨损机制为轻微的磨粒磨损。表面渗氧显著提高了Ti-6Al-4V钛合金表面硬度和耐磨性,同时其内部组织粗化和软化不明显,可作为提高钛合金表面耐磨性能的潜在方法。