表面机械轧制预处理对氮化TC4钛合金微观结构和性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of surface mechanical rolling pretreatment on microstructure and properties of nitrided TC4 titanium alloy

纳米晶制备与性能优化

　　

赵志静|李楚|罗俊明|崔世宇

南昌航空大学材料科学与工程学院，中国南昌，330063

摘要

采用表面机械轧制处理（SMRT）在TC4钛合金基材上制备了纳米晶结构，旨在研究表面纳米化对等离子体氮化（PN）TC4钛合金微观结构和力学性能的影响。结果表明，SMRT预处理有效地将TC4的表面晶粒从微米级细化到了纳米级。因此，经过氮化处理后，SMRT+PN样品的表面氮化物含量显著增加，氮化层也明显增厚。随着表面机械轧制次数的增加，SMRT+PN样品的表面硬度和耐磨性先增加后减小。与Sub+PN样品相比，6SMRT+PN样品的表面硬度提高了23.3%，而摩擦系数、磨损痕迹宽度和磨损率分别降低了15.5%、26.8%和43.7%。此外，Sub+PN和SMRT+PN样品的腐蚀电流密度均比未经处理的基材低一个数量级。其中，6SMRT+PN样品表现出最高的腐蚀电位和最低的腐蚀电流密度。

引言

钛合金因其优异的综合性能（包括高比强度、出色的耐腐蚀性和良好的生物相容性）而被广泛应用于航空航天、生物医学和海洋工程等领域[1]、[2]。其中，Ti-6Al-4V（TC4）钛合金作为一种典型的α+β型钛合金，由于其高强度重量比和良好的疲劳性能，已成为结构和承重部件的理想选择[3]、[4]、[5]、[6]。然而，其相对较低的硬度和较差的耐磨性限制了其更广泛的应用[3]、[4]、[5]、[6]。

TC4钛合金的表面强化可以通过多种方法实现，如氮化[7]、碳化[8]、氧化[9]或碳氮共渗[10]。其中，等离子体氮化是一种热化学表面强化技术，通过引入氮原子形成高浓度的氮化物层（例如TiN和Ti2N）来提高材料的表面硬度，从而有效提高组件的耐磨性和使用寿命[11]、[12]。然而，单独的表面强化方法存在局限性，如氮化效率低、氮化层薄和耐磨性不足。因此，结合多种表面改性方法的混合表面强化技术可以克服这些局限性，提升材料的耐磨性和耐腐蚀性等性能。

表面机械处理方法（如轧制、喷丸和激光冲击强化）可以通过塑性变形在金属材料的近表面区域诱导特定的纳米结构。这些纳米结构有助于氮化过程中的快速扩散[13]、[14]、[15]、[16]。孙等人[17]在Ti/Al复合板上采用表面机械磨损处理（SMAT）作为预处理，随后在550°C下进行低温等离子体氮化。他们发现，经过SMAT处理的氮化样品的表面硬度和耐磨性显著提高，腐蚀电位从-0.325V增加到-0.25V。曹等人[18]对M50轴承钢进行了激光冲击强化（LSP）和氮离子注入的混合处理。与未经处理的样品相比，LSP+N处理后的样品表面纳米压痕硬度从7.51GPa增加到12.62GPa，摩擦系数最低。赵等人[19]利用超声波纳米晶表面改性（UNSM）在300M超高强度钢上诱导出表面塑性变形层，然后在450°C下进行6小时的氮化处理。与未经UNSM预处理的样品相比，UNSM+N样品的磨损率从6.3×10^-6 mm^3·N^-1·m^-1降低到4.6×10^-6 mm^3·N^-1·m^-1。肖等人[20]采用喷丸（SP）作为预处理，实现了TC4钛合金的低温快速等离子体氮化（PN），提高了其粘附强度和承载能力，随后通过电弧沉积（AD）在表面制备了复合涂层。结果表明，SP-PN-AD涂层样品具有优异的耐磨性。

尽管表面机械轧制处理（SMRT）已被用作表面纳米化的预处理方法，但SMRT促进TC4钛合金表面纳米化及其后续氮化处理的协同增强机制尚未得到系统研究。因此，在本研究中，TC4钛合金分别进行了2次、6次和10次的SMRT处理，随后对基材和预处理样品进行了氮化处理。系统研究了SMRT处理次数对氮化层微观结构、耐磨性和耐腐蚀性的影响。

实验材料与方法

实验材料为尺寸为15×15×3mm的TC4钛合金样品。使用VMC500机床进行SMRT处理。实验过程的示意图如图1所示。实验前，TC4样品经过铣削处理，以获得适合纳米化的相对光滑平整的表面。然后使用直径为10mm的WC/Co球形刀具进行SMRT处理。工艺参数设置如下：

透射电子显微镜（TEM）观察

如图2所示，TC4基材的TEM图像和选区电子衍射（SAED）图案表明，Sub样品主要由六方密排（hcp）α相和体心立方（bcc）β相组成。原始样品的晶粒尺寸为2–5μm，晶粒内的位错分布不均匀，某些区域存在高密度位错缠结。α相的衍射峰如图2(b)所示。

图3显示

结论

• (1)
  SMRT细化了TC4的表面晶粒，6SMRT样品表面的纳米晶体最为细腻。
• (2)
  氮化处理后，样品表面的TiN相表现出明显的优先取向。随着SMRT处理次数的增加，表面氮化层的厚度和表面硬度先增加后减小。6SMRT+PN样品表现出最高的表面氮化物含量、氮化层厚度和表面硬度。
• (3)
  腐蚀电流

作者贡献声明

赵志静：撰写——初稿，实验研究，数据分析。李楚：实验研究，数据分析，数据管理。罗俊明：撰写——审稿与编辑，项目监督，资金争取，概念构思。崔世宇：撰写——审稿与编辑，项目监督，数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（51764041、51701089）的支持。