基于喷丸处理的混合表面处理技术，用于提升Ti-12.1Mo-1Fe合金的耐磨性和电化学性能

《Surface and Coatings Technology》：Shot peening-based hybrid surface treatment for enhancing wear and electrochemical properties of Ti-12.1Mo-1Fe alloy

钛合金表面喷丸与气相氮化协同效应研究。SP预处理通过纳米晶化及高密度位错增强氮扩散，SP+GN处理使扩散层增厚63%，表面硬度达1170HV0.1，磨损深度较基材降低55%，腐蚀电流密度下降38%。

　　

李承宇|李东根

韩国顺天市顺天国立大学材料科学与冶金工程系，邮编57922

摘要

钛合金具有较高的比强度、耐腐蚀性和抗疲劳性能，但其较差的耐磨性限制了其在高摩擦环境中的应用。本研究探讨了喷丸处理（SP）对β-Ti-12.1Mo-1Fe合金气体氮化（GN）效率的影响。研究了四种表面处理方式：均匀化处理（HT）、喷丸处理（SP）、气体氮化（GN）以及喷丸处理+气体氮化（SP+GN）。喷丸处理在表面引入了严重的塑性变形和超细晶粒，显著增强了氮在氮化过程中的扩散。X射线衍射和电子背散射衍射分析表明，SP+GN处理条件下TiN相分数增加，位错密度也更高。表面硬度达到1170 HV_0.1，氮化层厚度比GN处理样品增加了63%。磨损试验结果显示，SP+GN处理样品的耐磨性最强，磨损轨迹宽度和深度分别比HT处理样品降低了35%和55%。尽管喷丸处理增加了表面粗糙度，但形成的凹坑有助于捕获磨损颗粒并降低了摩擦系数。在3.5 wt% NaCl溶液中的电化学测试表明，SP+GN处理由于产生了压应力残余和稳定的氮化层，从而提高了耐腐蚀性。总体而言，喷丸处理有效提高了钛合金的氮化效率及耐磨性和电化学性能。

引言

碳中和已成为全球追求环境可持续性的关键目标[1]。汽车行业不仅是车辆制造过程中的主要温室气体排放源，而且在车辆整个使用过程中也是如此[2]。由于车辆重量直接影响燃油消耗和温室气体排放，减轻重量是提高燃油效率和减少碳足迹的有效策略[3][4]。钛合金因其低密度、高比强度和优异的耐腐蚀性而成为汽车应用的理想结构材料。然而，其相对较差的耐磨性限制了其在承受严重或持续摩擦的部件中的应用[5][6][7][8]。为克服这一限制，人们采用了多种热处理和机械表面处理技术来提高钛合金的耐磨性[9][10][11]。

气体氮化是一种表面改性工艺，通过该工艺氮原子扩散到合金表面形成坚硬且耐磨的氮化层[12]。传统的钛合金气体氮化通常在超过700°C的温度下进行长时间处理，这会导致高能耗，并可能改变合金的内部微观结构，例如亚稳相的分解和次级α相的生长。在700°C以下的温度下，氮的扩散速率显著降低，导致氮化效率下降，氮化层变薄；因此需要延长处理时间才能达到足够的氮化效果[13][14]。因此，需要开发能够在较低温度下提高氮化效率的工艺方法。

喷丸处理是一种机械表面处理方法，高速弹丸撞击表面，产生压应力残余和严重的塑性变形[15][16]。由此产生的位错积累和重排促进了亚晶粒的形成，并诱导了表面纳米晶化[17]。纳米晶粒表层中晶界密度的增加为氮原子提供了有效的扩散路径，从而在后续氮化处理中促进了氮的更深层次渗透[18][19]。Xu等人[20]报道，经过超声喷丸处理的钛合金进行气体氮化后，氮化层厚度增加了30.43%，同时硬度和耐磨性也得到了提高。

β钛合金的β转变温度低于α或α+β钛合金，这使得它们更容易通过热处理发生微观结构变化。然而，在氮化过程中，氮原子在六方密排（HCP）α相的八面体间隙位点中的稳定性高于体心立方（BCC）β相，因此在α钛中具有更高的固溶稳定性[21]。此外，β钛合金通常含有高浓度的β稳定元素（如Mo），这些元素在氮化过程中促进复杂氮化物（如Ti–Mo–N）的形成。这些复杂的氮化物层阻碍了氮的扩散并抑制了初始的氮化反应[22]。因此，开发有效的氮化策略以提高β钛合金的氮化效率仍是一个重要挑战。此外，关于喷丸处理对β钛合金氮化行为影响的系统研究，特别是对其耐磨性和电化学性能及其机制的定量评估，仍然较少。

特别是，应力诱导的相变与表面纳米晶化在克服富Mo β合金扩散障碍方面的协同效应尚未得到充分研究。本研究系统探讨了喷丸处理对亚稳态β钛合金Ti-12.1Mo-1Fe的微观结构、机械性能和电化学行为的影响。通过维氏硬度测量和球盘磨损试验评估了不同表面处理条件下的硬度和磨损行为，并分析了相应的磨损机制。此外，还进行了电位动力学和电位恒定极化试验以评估处理合金的电化学性能。

实验部分

样品制备

本研究选择了含有Mo和Fe的Ti-12.1Mo-1Fe合金，这两种元素是经济高效的β稳定元素。该合金的β转变温度约为780°C[23]。由于含有β稳定元素，β相在高温和常温下均保持稳定。使用钼当量（[Mo]_eq来量化合金元素的β稳定能力。根据公式（1），Ti-12.1Mo-1Fe合金的[Mo]_eq值为

混合表面处理工艺下的微观结构分析

图2展示了经过不同表面处理条件的样品表面形貌的SEM图像。喷丸处理（SP）和喷丸处理+气体氮化（SP+GN）样品的表面出现了许多由多次冲击形成的半球形凹坑。相比之下，气体氮化（GN）和喷丸处理+气体氮化（SP+GN）样品的表面则观察到了细小的球形颗粒。

进行了表面粗糙度测量，以量化每种处理方式引起的表面形貌变化

结论

本研究探讨并评估了结合喷丸处理（SP）和随后的气体氮化（GN）的混合表面处理对Ti-12.1Mo-1Fe合金的影响。主要结论如下：

• (1)
  对Ti-12.1Mo-1Fe合金进行喷丸处理后，在近表面区域形成了大量的变形孪晶。这些孪晶作为高角度晶界，形成了延伸至一定深度的超细晶粒区

CRediT作者贡献声明

李承宇：撰写初稿、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。李东根：审稿与编辑、监督、方法论设计、实验研究、资金获取、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国技术院（KIAT）（项目编号P0023676，属于韩国政府（MOTIE）资助的工业创新HRD计划）的支持。