感应热处理对钛合金/镍涂层界面组织结构及摩擦性能的影响

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钛合金是各国发展航空航天、海洋工程等的战略金属,具有耐腐蚀、高比强度、比刚度等优点,然而其低的耐磨性限制了它的应用范围。镍作为常用的耐磨材料,可以有效的提高钛合金的耐磨性,能进一步拓展钛的应用前景。
  本文采用电镀工艺在TC4钛合金表面获得纯Ni层,比较了热处理方式的影响,详细研究了感应热处理的时间和温度对界面组织结构的影响规律,并从热力学和动力学角度分析了金属间化合物的生成机理,研究了感应热处理试样的摩擦磨损性能,得到如下结论:
  ①电镀镍层表面均匀,无裂纹,热处理前TC4钛合金/镀层Ni试样界面清晰可见,没有明显的裂纹,扫描分析结果显示界面处没有新相生成。
  ②分别经感应热处理和电阻炉热处理的试样界面处进行对比研究:相比电阻炉热处理工艺,感应热处理显著促进了Ti与Ni原子的互扩散,提高了Ti-Ni金属间化合物的生长速率,同等条件下,界面扩散区域更宽,能更有效的产生更多的Ti-Ni金属间化合物。
  ③随着感应热处理时间的增加,保温10min时界面组织为Ni3Ti、NiTi相,而保温30min和60min时界面组织转变为Ni3Ti、NiTi和NiTi2三相,感应热处理初期对NiTi2相的生长有一定的抑制作用,NiTi2相的产生需要一定的孕育期。
  ④在感应热处理30min时,750℃时界面组织为Ni3Ti、NiTi,而850℃和950℃是界面组织为Ni3Ti、NiTi和NiTi2,而且温度越高,NiTi2的孕育期越短,这可能是由于初期NiTi相的快速生长大量消耗NiTi2,导致无余量NiTi2的生成,在感应热处理扩散后期,NiTi相的生长大量消耗Ni3Ti相。
  ⑤Ti-Ni金属间化合物的自由能均为负值,其大小顺序为NiTi>NiTi2>Ni3Ti,生成焓的大小顺序为Ni3Ti>NiTi2>NiTi。但本文中NiTi相先于NiTi2相生成,这是由于NiTi相处的涡流大于NiTi2,原子受到的激励更强。
  ⑥随着热处理时间的增加,Ni3Ti、NiTi和NiTi2三种金属间化合物的生长速度逐渐减慢。NiTi相生长速度最快,而NiTi2生长速度最慢。NiTi和NiTi2相的生长符合抛物线方程,然而,Ni3Ti相的生长仅前期符合抛物线方程。
  ⑦TC4钛合金基体的摩擦系数为0.59,感应热处理后试样的摩擦系数为0.29,同时磨损失重降低了64%,且钛合金TC4基体磨损表面上存在大量细小犁沟,而感应热处理后Ni涂层试样磨损表面呈现出明显的塑性流变特征,感应热处理后涂层显著提高了耐磨性。
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