钛合金作为一种沉要的高机能结构资料，因其拥有比强度高、良好的耐侵蚀、低密度和生物相容性好蹬着点，在国防工业、航空航天、医疗器械等领域得到宽泛利用[1]
。 凭借其自身卓越的机能已成为兵器设备机能提升与轻量化的首选资料
。 目前，在军用陆基兵器领域， 其最具代表性的利用案例蕴含M1A1 主战坦克、M2 布雷德利战车以及轻型 155mm火炮 M777 等[2]
。 随着科学技术的发展，兵器设备对高机能及轻量化水平的要求日益增高
。 但钛合金普遍存在硬度低、 耐磨性差等问题限度了其在军事活动中的利用[3-5]
。因而，开发设计合理的改性技术提升钛合金的机能，对拓展其利用价值拥有沉要意思
。

由于钛合金硬度低、耐磨性，学者对钛合金表表处置的钻研集中在渗氮技术上[6-11]
。 李永康等[7]通过探索分歧温度下 TC4 钛合金离子渗氮层，分歧温度下 TC4 钛合金渗层重要都由 TiN、Ti2N 相组成，其合金试样硬度和耐侵蚀性都得到提高，渗层随着渗氮温度的升高而增厚
。 Yang 等[8]选取电子熔炼技术(electronbeammelting,EBM)对 Ti6Al4V 钛合金进行等离子渗氮处置， 成功造备得到 PN-EBM 钛合金试样，且 PN-EBM 钛合金在天然海水中的耐侵蚀性显著优于电子束钛合金
。 闫计文[9]选取空心阴极等离子体技术 SLM-TC4 钛合金进行表表渗氧处置，将钻研了局与测试了局进行相互验证，渗氮处置后得到试样电化学机能摩擦机能都得到提高，渗氧处置后的试样的抗侵蚀机能优于渗氮试样
。 吴国龙等[10]在分歧的氮气空气下激光选区溶解成形 TC4合金，不仅实现了 TC4 钛合金的耐磨机能提升，并且有效提高了高耐磨机能钛合金的造备效能
。 高鸿等[11]钻研了高频电源与活性屏离子渗氮对表表纳米TC4 钛合金渗氮层结合力的影响，发现高频电源抑造了传统直流电源渗氮过程中的打弧景象并缓解渗氮层内部的扰爪力荟萃，提高了渗氮层的表表机能，对渗氮层载荷接受力和结合力有肯定的提升作用
。 选取高频电源与活性屏组合工艺，优化后渗氮试样的渗氮动力学前提更好，Ti2N 层厚度显著增长，提高了基体中氮扩散层的机能
。 同时，Ti2N 厚度的增长能够减缓 TiN 层与基体的成分与机能的突变，从而提升渗氮层与基体的结合力
。

本文选取离子渗氮技术，发展 TC4 钛合金的表表改性钻研，钻研 TC4 钛合金试样在分歧渗氮面上经过离子渗氮处置后试样表表的结构、组织和机能变动
。

1、尝试资料与步骤

1.1 资料造备

尝试选用的资料为退火态 TC4 钛合金，其化学成分如表 1 所示
。 如图 1 所示试样尺寸为 9mm×3mm×15mm，表表无氧化、无锈蚀、无裂纹、无划伤等缺点
。

表 1 TC4 钛合金的化学成分（质量分数，%）

拔取 TC4 钛合金试样两个表表，别离是平面方向的 A 表表与厚度方向的 B 表表(以下简称 A、B面)
。 用 1000、1500、2000、2500 和 3000 号砂纸打磨至表表光滑，用超声波洗濯机洗濯 10min 后，再用MP-1B 研磨抛光机加 W2.5 金刚石研磨膏抛光
。 随后将试样放入多职能离子化学热处置炉中， 将炉内真空度至 10~20Pa，调节工作电压为 900V，占空比为 14.4%~16.2%，随后打开氨气瓶，调节流量计使气压维持在 200Pa，在 450 ℃温度下渗氮 8h
。

1.2 表征步骤

将渗氮处置后的 TC4 钛合金试样用 D8-ADVANCE型号的 X 射线衍射仪对经渗氮处置迪胙合金进行物相分析(侵蚀液：50mL 去离子水 +1.5mL 氢氟酸 +2.5mL 硝酸溶液，蚀刻 10s)；用 QuantaFEG450 型 FEG(FE-SEM)的电子显微镜对离子渗氮后的试样进行微观组织描摹分析；选取维氏 HT-1000 显微硬度机对样品进行硬度测试，试验力 300g，负荷维持功夫 10s
。

2、尝试了局及会商

2.1 表表描摹分析

图2 展示了 TC4 钛合金在平面和厚度两个方向上渗氮前后的样品宏观描摹特点
。 其中未进行渗氮处置的 TC4 钛合金试样表表出现出带有金属光泽的银灰色，经离子渗氮处置后的 TC4 钛合金试样表表出现出金黄色， 该色彩的形成可能因其表表形成一层陆续且相对较薄的硬质氮化物薄膜中含有TiN，金黄色是 TiN 所特有的色彩[3]
。 与 TC4 钛合金的通例渗氮工艺相比， 选取离子渗氮工艺造备迪胙合金渗氮层均匀性更优， 且未出现通例渗氮过程中常见的边缘效应[12-13]
。

2.2 渗氮层的物相分析

图 3 为 TC4 钛合金经分歧方向(平面方向和厚度方向)渗氮处置后的 XRD 图谱，了局批注，TC4 钛合金经离子渗氮处置后， 在平面和厚度方向上均出现了 TiN 和 Ti2N 相
。 在平面方向上，Ti、TiN 和 Ti2N的衍射峰都比力显著且强度较高，这批注钛合金的表表 A 经过离子渗氮处置后， 形成了较为显著的TiN 和 Ti2N 相，且这些相的晶体结构较为齐全和有序
。 在厚度方向上，固然也能观察到 Ti、TiN 和 Ti2N的衍射峰，但强度相对较低
。 这注明在厚度方向上，B 面只管也形成了这些相， 但由于渗氮过程中的某些成分如扩散速度、应力散布等，导致这些相的成长不如平面方向上齐全和有序，晶体结构存在更多的缺点或不均匀
。 同时衍射峰强度分歧重要与离子渗氮过程中的扩散机造、应力散布等成分有关[1,14-18]
。

2.3 渗氮层的显微结构分析

图 4 为 TC4 钛合金试样渗氮前后的截面描摹和能谱线扫图
。 图中 A1 暗示 TC4 钛合金试样已在平面 A 上进行渗氮处置；A2 暗示 TC4 钛合金试样在平面 A 上没有进行渗氮处置；B1 暗示 TC4 钛合金试样已在表表 B 上进行渗氮处置；B2 暗示 TC4钛合金试样在表表 B 上未进行渗氮处置
。 在未渗氮试样的截面描摹图(图 4b 和 d)中，其显微组织由等轴 α-Ti(图中可见较暗区域)和残留 β-Ti 晶粒(图中可见的较亮区域) 组成
。 在渗氮试样的截面描摹图(图 4a 和 c)中，渗氮层的组织重要由 α-Ti(N）和β-Ti晶粒组成的氮固溶体，但在样品表表稍亮的区域可能存在 Ti2N 组成的脆性层，这一景象重要归因于较低工艺温度下形成的致密均匀组织，低温前提下重要天生高硬度的 TiN 相， 可显著提高渗氮层硬度，该结论与宏观描摹观察了局一致
。在渗氮过程中，氮原子从气相扩散到固相， 在表表产生了一个致密的氮化物层[19]
。 这层致密的氮化物层组成了氮原子进一步扩散的能垒， 需克服特定能量势垒能力持续渗入
。 其均匀致密的组织与清澈界面，在保险钛合金表表机能提升的同时，有效维持了基体韧性等机能，进而躲避渗氮处置可能引发的脆化风险[20-26]
。

2.4 硬度分析

图 5 是 TC4 钛合金渗氮前后别离在平面、厚度两个分歧方向上的表表硬度，其中 A1 暗示 TC4 钛合金试样已在平面方向上进行渗氮处置；A2 暗示 TC4 钛合金试样在平面方向上未进行渗氮处置；B1 暗示 TC4钛合金试样已在厚度方向上进行渗氮处置；B2 暗示TC4 钛合金试样在厚度方向上未进行渗氮处置
。 了局批注，在平面方向上，未经渗氮处置的 TC4 钛合金试样的均匀硬度 348.76HV， 渗氮处置后均匀硬度421.15HV，较基体硬度提升 20.76%；厚度方向上，渗氮后均匀硬度 441.04HV，较基体硬度提升了 29.10%
。显然可见经过渗氮处置后 TC4 钛合金在平面和硬度方向上的硬度都得到了提高， 且在厚度方向上的硬度提升成效更为显著，有关硬度数据详见表 2
。

表 2 TC4 钛合金分歧方向渗氮前后表表硬度

据有关钻研显示[27-28]，钛合金 TC4 的表表硬度显著提高， 这可能归因于温度对氮原子扩散行为的推进作用以及氮化物层的形成，离子渗氮过程中，氮原子会在资料表表形成拥有较高的硬度的氮化物层，有效地提高了钛合金表表的硬度
。经低温渗氮处置后，TC4 钛合金表表形成了由 TiN 和 Ti2N 组成的氮化物层，钛的氮化物拥有极高的硬度，同时氮化物层较为致密， 其在钛合金表表的形成与堆集使得表表硬度的提升
。

3、结论

(1)TC4 在离子渗氮后，在平面和厚度方向上均形成了 TiN 和 Ti2N 相，渗氮处置后在钛合金表表天生了氮化层
。 在平面方向上，Ti、TiN 和 Ti2N 的衍射峰显著且强度较高，晶体结构较为齐全有序；而在平面方向上渗氮成效不如厚度方向上显著
。

(2)渗氮层结构密集且均匀，其与基体之间的界面清澈光滑，无显著缺点
。氮化物颗粒均匀散布在基体内，加强了氮化层硬度，与未渗氮迪胙合金相比，硬度显著提高，能有效加强耐磨性，同时保障了

基体的韧性等机能不受损，预防因渗氮导致脆性增长
。

(3)TC4钛合金经离子渗氮处置后，在平面与厚度两个方向上的表表硬度都得到提升，在平面方向上渗氮处置后均匀硬度可达到421.154HV，比基体硬度提高了72.392HV，厚度方向上渗氮后均匀硬度达到441.039HV，比基体硬度提高了99.422HV
。在厚度方向上的硬度提升成效更为显著
。

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（注，原文标题：刀兵用TC4钛合金装船面表表改性工艺钻研）

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