钛合金固体渗硼工艺研究+文献综述(2)
1.1 TC4钛合金渗硼层
渗硼技术作为一种简单有效的技术方法，能降低摩擦系数和改善抗疲劳性能， 钛合金渗硼后表面硬度增加，摩擦系数减小，扩散的硼和基体材料在相应温度下形成了一个或多个金属间化合物相组成的硼化物层，硼化物层能显著地提高基体的表面硬度和耐磨性。当前，渗硼技术作为提高纯钛表面硬度及耐磨性的一种有效手段，已成为该领域的研究热点之一。
1.1.1 微观结构
在金相显微镜下观察到TC4的渗硼组织形态为外表层的白亮层以及内表层的须状组织，且须状物呈一定角度楔入合金基体。渗层的组成如图1.1(a)所示[1]。基体表层的 Ti 化合成 TiB，使 TiB 往基体内部 “生长”，同样温度下由于表层的 Ti 很快与 B 结合形成 TiB2，且 TiB2 呈薄的白亮层均匀地“覆盖”在 TC4 钛合金表层。由钛原子与硼原子比例可得，渗硼层的外层TiB2厚度大约4 µm，内层TiB厚度大约6 µm。渗硼后表层形成的化合物与基体冶金结合，渗层与基体之间楔合紧密，几乎没有裂纹和孔洞。对渗层进行EDS分析，可定量得到渗层各元素分布情况，如图1.1(b)所示[2]。在渗层下方，有一个区域，被称作硼扩散区。此区域厚度大约50 µm。在BDZ区中是Al和V含相对富集区，且高于 TC4 钛合金基体含量，随着从边界到基体深度的增加，Al 和V含量又降至基体的组成含量。
图1.1 (a)TC4圆片上观察到由TiB2 和TiB双相结构组成的渗层图(b)渗层和基体的EDS分析
1.1.2 耐腐蚀性
渗硼后在盐酸，硫酸和碱水溶液中合金耐蚀性提高约2倍。钛与氧、氯形成的稳定性高而致密的化合物保护膜使钛具有高的耐蚀性，而渗硼后，表层具有稳定性比钛的保护膜更高的TiB和TiB2[3]。但在过饱和食盐水溶液中恰好相反，耐蚀性下降33%。
1.1.3 硬度
表面硬度测试采用多循环硬度测试模式进行检测，其测试结果如图1.2所示[4]。硼合金的表面硬度从2570 HV(相当于20g的试验载荷压头穿透深度为0.6 μm)下降635HV(相当于500g的试验载荷压头穿透深度为5.5 μm)。硼合金最小的表面硬度估计接近2000 HV，这几乎是基体合金硬度的5 倍。渗层的硬度在2700 HV0.025 到1500 HV0.025之间变化。离最外层约4 μm范围以内，硬度文持在2700 HV0.025水平，这相当于TiB2的硬度。进一步向渗层内部靠近趋向BDZ区域，硬度急剧下降到TiB硬度水平。在BDZ区域，硬度从1500 HV0.025 减少到315 HV0.025。
图1.2 连续的多循环模式下测试载荷在20 g 到500 g之间表面硬度测试结果
1.1.4 耐磨性
TiB2的摩擦系数约为0.15, 渗层的摩擦系数变化波动较大, 随着磨损时间的延长磨损到达TiB2 /TiB界面时，摩擦系数由0.15增至0.3左右，均低于基体的摩擦系数，加稀土后其耐磨性进一步提高[5]。
图1.3为Ti6Al4V渗硼后在光学显微镜(a和b)和SEM(c)下最大磨损处的显微结构。渗硼后合金耐磨性有显著提高，图1.3展示了磨损后合金表面形态和断面处结构组成。可以看到双层对比，在光学显微镜下TiB2 为白色区域而在SEM电镜下是较深色区域，并且灰色区域为TiB晶须。
图1.3 Ti6Al4V渗硼后在光学显微镜(a、b)和SEM(c)下最大磨损处的显微结构
1.2 TC4钛合金固相法渗硼
渗硼方法种类很多，按渗硼剂(介质)的物理状态的不同可分为气体法、液体(盐浴)法和固体法三类。气体法需用乙硼烷(B2H6)或三氯化硼(BCl3)作为供硼剂，采用氢气(H2)作为载体气时，因为有爆炸危险以及BCl3有毒等原因，气体法目前应用较少。现在也发展了许多其他方法，如离子渗硼、真空渗硼、低温渗硼等。生产上应用较多的是固体法，其次是盐浴法。