TC4钛(tai)合金(jin)属(shu)于(yu)α+β双相钛(tai)合金(jin)，具(ju)有(you)密度(du)低、比强度高、耐(nai)蚀(shi)性优良、耐(nai)高温(wen)和焊(han)接性好等(deng)一系(xi)列优(you)点(dian)，被广泛应(ying)用于(yu)现(xian)代国防军(jun)事(shi)、航(hang)天航(hang)空(kong)、建(jian)筑(zhu)等领域［1-3］，高强(qiang)度和(he)良(liang)好(hao)的(de)耐蚀性是钛(tai)合(he)金的代名词(ci)。但(dan)由(you)于钛(tai)合金基体硬(ying)度(du)低、耐(nai)磨(mo)性(xing)差(cha)，极大(da)限制了钛(tai)合(he)金的应用［4-6］。
采(cai)用(yong)表面强(qiang)化(hua)手(shou)段来改善和提(ti)高(gao)钛合金(jin)的(de)性(xing)能一直是该(gai)领域(yu)的研(yan)究(jiu)热点(dian)。钛合金(jin)的表面强(qiang)化(hua)处理方式有等(deng)离子(zi)渗氮［7-8］、激(ji)光气(qi)体(ti)渗(shen)氮［9］、真空(kong)渗氮［10-12］、机械(xie)研磨(mo)［13］、表(biao)面渗氧(yang)强化(hua)［14］等(deng)，采用(yong)这些(xie)表(biao)面强化方式(shi)，能够(gou)有(you)效(xiao)地改(gai)善(shan)和提高(gao)钛(tai)合(he)金(jin)的表(biao)面强度，扩(kuo)展(zhan)其(qi)应(ying)用范围(wei)。元(yuan)云(yun)岗(gang)等［15］利用等(deng)离子渗氮技(ji)术(shu)提升(sheng)TC4钛合(he)金的(de)耐磨(mo)性(xing)并探(tan)究(jiu)最(zui)优渗氮(dan)温(wen)度，发现TC4钛合金(jin)在(zai)900℃渗(shen)氮(dan)后表(biao)面(mian)显微(wei)硬度是(shi)基(ji)体的(de)4倍，低温渗(shen)氮(dan)处理的(de)试样(yang)其承(cheng)载能(neng)力低于高温渗氮处理的试(shi)样，与原(yuan)始TC4钛合(he)金(jin)相(xiang)比，渗(shen)氮(dan)处理(li)后的(de)试(shi)样(yang)磨损(sun)体积明(ming)显(xian)降低，耐磨(mo)性显(xian)著(zhu)提高。王(wang)一龙(long)等［16］采用激光气(qi)体(ti)渗(shen)氮(dan)工艺(yi)在TC4钛合金表面(mian)生成一(yi)层(ceng)高(gao)硬(ying)度、高耐(nai)磨性(xing)的渗(shen)氮层。周海雄等(deng)［17］采用(yong)球(qiu)磨(mo)法将(jiang)石(shi)墨(mo)烯与TC4预合(he)金(jin)粉末(mo)混合，通过放(fang)电等离(li)子烧结(jie)工(gong)艺在1200℃制备了(le)石墨烯(xi)/TC4复(fu)合(he)材(cai)料(liao)，制备(bei)的复合(he)材料(liao)组(zu)织(zhi)致密(mi)，石(shi)墨烯与(yu)TC4合金原位生成的(de)TiC在晶界处(chu)析出，提高了复(fu)合(he)材(cai)料的力学性能，石(shi)墨烯(xi)的(de)加(jia)入(ru)使(shi)得(de)TC4基(ji)体晶粒细化，同(tong)时与(yu)基(ji)体(ti)反(fan)应(ying)生(sheng)成(cheng)了(le)TiC颗粒，对(dui)基体(ti)产生(sheng)了(le)强化(hua)效果(guo)。胡(hu)永(yong)志(zhi)［18］采(cai)用(yong)机(ji)械(xie)合(he)金(jin)化(hua)法在TC4钛(tai)合(he)金表(biao)面制(zhi)备了(le)Ti-Al、Ti-Al-Cr两(liang)种(zhong)非晶(jing)复合(he)涂层(ceng)，发(fa)现(xian)Ti-50at%Al涂(tu)层在(zai)球(qiu)磨过程中(zhong)应先形(xing)成固(gu)溶(rong)体再(zai)转(zhuan)化成非晶(jing)，复(fu)合(he)涂层的形成反复地经(jing)历(li)了(le)“冷(leng)焊(han)—变形—断(duan)裂”的(de)物理行为，随着球磨(mo)时(shi)间的增加(jia)，涂层(ceng)厚(hou)度先增(zeng)加后减小，并(bing)最(zui)终(zhong)趋(qu)于(yu)稳定(ding)，复(fu)合(he)涂层使(shi)TC4钛(tai)合(he)金(jin)表(biao)面(mian)强(qiang)度得到(dao)大(da)幅(fu)度(du)提高。
由此可见，对(dui)钛(tai)合(he)金(jin)而言(yan)，近年来(lai)表面(mian)改性技术(shu)正(zheng)朝(chao)着复合(he)化(hua)、纳(na)米(mi)化等(deng)方向(xiang)发展。总(zong)体(ti)来(lai)说(shuo)，钛(tai)合金的(de)改性(xing)技(ji)术还存(cun)在诸(zhu)如(ru)操(cao)作复(fu)杂、设备昂(ang)贵、工(gong)艺控(kong)制(zhi)难(nan)、组织不(bu)均匀等问题。课(ke)题组(zu)前(qian)期(qi)提出(chu)的真空感应(ying)渗氮技(ji)术(shu)［19-20］具(ju)有组织(zhi)均(jun)匀(yun)性(xing)高、成本(ben)低、不(bu)受(shou)工件形(xing)状限(xian)制等优点，在(zai)钛(tai)合(he)金表(biao)面(mian)改性处(chu)理(li)领(ling)域得到(dao)应用。本(ben)文提出(chu)采(cai)用(yong)机械变(bian)形(xing)+真(zhen)空渗(shen)氮的复合(he)强(qiang)化(hua)思(si)路，对(dui)机械球(qiu)磨后的(de)TC4钛(tai)合金(jin)进(jin)行(xing)真空(kong)感应渗(shen)氮(dan)处理(li)，探究不同(tong)渗氮温(wen)度(du)对(dui)渗(shen)层(ceng)微观组(zu)织、截面硬(ying)度(du)、耐磨性(xing)的(de)影响(xiang)，获得适合的复(fu)合(he)改(gai)性(xing)工艺(yi)路线，为钛合(he)金(jin)的(de)复合(he)改性技术发展提供理(li)论(lun)参考(kao)。
1、试(shi)验(yan)材(cai)料(liao)与方法(fa)
1.1试验(yan)材料
本文试验的材(cai)料是(shi)TC4钛(tai)合金(jin)，尺寸(cun)为(wei)φ8mm×15mm，其(qi)化(hua)学成(cheng)分(质(zhi)量分(fen)数(shu)，%)为6.19Al、4.12V、0.03Fe、0.015C、0.13O，余(yu)量(liang)Ti。
1.2试(shi)验(yan)方(fang)法(fa)
试验前(qian)将(jiang)试样(yang)表(biao)面(mian)进行打(da)磨、抛(pao)光、清洗(xi)。采用行星式球磨装(zhuang)置进行表(biao)面(mian)机(ji)械球(qiu)磨处理(li)(Surfacemechanicalattritiontreatment，SMAT)，将(jiang)试样(yang)与直(zhi)径大小不(bu)同的钨(wu)钢(gang)球(qiu)放(fang)入不(bu)锈(xiu)钢罐内(nei)，并对(dui)不(bu)锈(xiu)钢罐进行2～3次抽真(zhen)空处理后(hou)，向(xiang)罐(guan)内(nei)充入(ru)氮(dan)气，气氛(fen)为－50kPa，球磨(mo)工(gong)艺参数为(wei)，球磨时(shi)间4h、转速350r/min。球磨结(jie)束后(hou)取(qu)出试(shi)样(yang)经无(wu)水(shui)乙(yi)醇超声(sheng)清(qing)洗(xi)后吹干，去(qu)除表面粘(zhan)附的灰尘(chen)和(he)杂(za)质，再(zai)将试样(yang)放入课(ke)题(ti)组(zu)自行(xing)研(yan)发(fa)的(de)真空(kong)感(gan)应(ying)渗(shen)氮(dan)装(zhuang)置内进(jin)行渗氮(dan)处(chu)理。渗氮工艺参(can)数为，控(kong)制(zhi)氮气(qi)气氛压力(li)－30kPa，渗(shen)氮时(shi)间1h，渗氮温(wen)度分别为800、850和(he)900℃。渗(shen)氮试(shi)验(yan)前(qian)，先将(jiang)炉内(nei)抽(chou)真(zhen)空，进行2～3次(ci)洗(xi)气(qi)后(hou)，充入－30kPa的高(gao)纯(chun)氮(dan)渗(shen)氮1h后(hou)，随(sui)炉冷(leng)却(que)30min至室(shi)温(wen)。对(dui)比试(shi)验(yan)为(wei)，将未(wei)经机(ji)械(xie)球(qiu)磨(mo)的(de)试样(yang)以(yi)同样(yang)的工艺(yi)进(jin)行(xing)渗(shen)氮处(chu)理。
1.3分析测(ce)试(shi)方(fang)法(fa)
采用X射线(xian)衍射(she)仪(XＲD)分(fen)析渗层(ceng)的(de)相(xiang)组成。
采用光(guang)学显微(wei)镜(OM)对(dui)微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)进行(xing)分(fen)析(xi)。采(cai)用蔡(cai)司型扫(sao)描(miao)电(dian)镜(jing)(SEM)对试(shi)样截面(mian)进行(xing)观(guan)察(cha)，并(bing)使(shi)用(yong)其能谱(pu)(EDS)对试(shi)样(yang)截(jie)面(mian)进行(xing)元(yuan)素(su)分(fen)析(xi)。采(cai)用MHV-2.0型(xing)自动显(xian)微(wei)硬(ying)度仪(yi)测试(shi)TC4钛合(he)金的(de)显(xian)微硬度(du)，载荷为0.25N，保(bao)压(ya)时间(jian)为15s，间距(ju)为20μm，30°沿线对(dui)试样进行(xing)15个(ge)点连续(xu)测量以(yi)获(huo)得(de)硬度(du)梯(ti)度，测试(shi)3组并作误(wu)差曲(qu)线。采用自(zi)制往(wang)复式磨损(sun)试验机［21-24］对(dui)试(shi)样端(duan)面进行滑动(dong)干(gan)摩(mo)擦(ca)试验，摩擦(ca)副(fu)材料(liao)使(shi)用氧(yang)化铝小球(qiu)，载荷(he)为5N和10N，转(zhuan)速(su)为(wei)625r/min，磨(mo)损(sun)时间(jian)为60min。磨损结束后(hou)，利(li)用(yong)3D表(biao)面轮(lun)廓仪对(dui)磨痕(hen)形貌及(ji)磨损量进(jin)行(xing)测试(shi)分析。
2、试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)与(yu)分(fen)析(xi)
2.1物(wu)相(xiang)分(fen)析
图(tu)1为原(yuan)样及(ji)机(ji)械(xie)球磨后(hou)的TC4钛合(he)金(jin)在(zai)800、850、900℃真(zhen)空感(gan)应渗氮1h后(hou)的(de)XＲD图谱(pu)，其(qi)中(zhong)ＲAW代(dai)表(biao)未(wei)处(chu)理原(yuan)试(shi)样(yang)。可(ke)知，TC4钛合金原(yuan)样(yang)XＲD图(tu)谱中(zhong)的衍(yan)射(she)峰主要(yao)由Ti组(zu)成(cheng)。如图(tu)1(a)所示(shi)，未(wei)机(ji)械球磨试样(yang)经(jing)不(bu)同(tong)温(wen)度感(gan)应渗氮1h后，衍射(she)峰主要(yao)由(you)TiN和(he)Ti组成(cheng)。TC4钛(tai)合(he)金经真空脉(mai)冲(chong)感应渗(shen)氮后(hou)表(biao)面(mian)形成钛(tai)的氮(dan)化物TiN。随(sui)着(zhe)渗氮温(wen)度(du)的(de)升(sheng)高，渗(shen)层中(zhong)的(de)Ti峰的强度(du)逐渐(jian)减(jian)弱(ruo)。随(sui)着渗(shen)氮(dan)温度(du)的(de)升高(gao)，N2分解(jie)的(de)活性氮原子数(shu)量增(zeng)多，促使(shi)氮(dan)原(yuan)子与(yu)钛原(yuan)子(zi)反应，在(zai)合(he)金(jin)表(biao)面(mian)形成了(le)氮(dan)化(hua)物(wu)层(ceng)并(bing)且随(sui)着渗氮温度的(de)升(sheng)高(gao)，这(zhe)种渗(shen)氮层(ceng)逐渐(jian)增厚，说明TC4钛合(he)金经(jing)不同温(wen)度(du)渗氮1h后(hou)，表面物(wu)相(xiang)主要(yao)以TiN为(wei)主(zhu)，有(you)少(shao)量(liang)Ti。如(ru)图(tu)1(b)所示(shi)，机械球磨处理(li)后经(jing)不同(tong)温度(du)感应渗(shen)氮1h后(hou)，XＲD图(tu)谱(pu)中(zhong)的(de)衍射峰(feng)主要由TiN和Ti组成。经过渗氮(dan)处(chu)理后合(he)金表(biao)面形(xing)成的氮(dan)化(hua)物(wu)为TiN。随着(zhe)渗(shen)氮(dan)温度(du)的升(sheng)高(gao)，TiN(200)峰面积逐渐变小，这(zhe)可(ke)能是TC4钛(tai)合(he)金(jin)在(zai)经机(ji)械(xie)球磨(mo)变(bian)形(xing)后表(biao)面粗糙(cao)度大(da)，还有(you)许多未(wei)去(qu)除(chu)的氧(yang)化物(wu)和杂(za)质，导(dao)致氮(dan)原(yuan)子(zi)不易(yi)与钛原(yuan)子(zi)反(fan)应形(xing)成(cheng)TiN，局(ju)部(bu)区(qu)域(yu)渗氮(dan)不充分(fen)。
2.2显微组(zu)织分(fen)析
图(tu)2为TC4钛(tai)合(he)金经不(bu)同(tong)温度(du)渗(shen)氮后截(jie)面的显微(wei)组(zu)织(zhi)。由(you)图2可(ke)知(zhi)，在(zai)不(bu)同渗(shen)氮(dan)温(wen)度下(xia)未(wei)经(jing)机(ji)械(xie)球(qiu)磨直接渗氮(dan)的试(shi)样(yang)均可获得白亮(liang)色的(de)致密(mi)渗(shen)氮(dan)层，结(jie)合图(tu)1的结果(guo)可推(tui)断出(chu)白(bai)亮层为(wei)富(fu)氮的化(hua)合(he)物层。随(sui)渗氮温度的(de)升高，活性(xing)氮原子的扩散(san)速率越(yue)大，氮(dan)原子(zi)向基(ji)体(ti)次(ci)表(biao)层扩(kuo)散(san)的越(yue)多(duo)，使(shi)得(de)渗氮(dan)层明显(xian)逐(zhu)渐增(zeng)厚，合(he)金(jin)心部(bu)组(zu)织明显变(bian)粗，晶(jing)界清(qing)晰。相(xiang)比(bi)直接(jie)渗(shen)氮样，渗(shen)层(ceng)深度(du)明显(xian)增(zeng)加，在(zai)渗(shen)氮温(wen)度为(wei)800℃时(shi)，渗(shen)层深(shen)度差别(bie)最(zui)明(ming)显，且(qie)试(shi)样(yang)表(biao)面有(you)一(yi)层很(hen)薄的(de)白亮层(ceng)，而(er)850℃渗(shen)氮(dan)后(hou)基本没(mei)有白亮(liang)色(se)的(de)致(zhi)密渗氮层(ceng)，渗氮(dan)层(ceng)组织比(bi)较(jiao)疏松，这可能是(shi)因(yin)为经机械(xie)球磨处理(li)后(hou)，试(shi)样(yang)表(biao)面在(zai)磨球(qiu)的(de)作(zuo)用下产(chan)生(sheng)塑(su)性(xing)变形，形(xing)成大(da)量的(de)缺(que)陷(xian)，一些杂质颗粒(li)在磨(mo)球的(de)捶(chui)打(da)和撞(zhuang)击(ji)下(xia)被“植入”试样(yang)基(ji)体表(biao)层［25］，使(shi)得(de)试样(yang)表(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)大，粘(zhan)附(fu)的杂(za)质(zhi)和灰尘(chen)比较多，导(dao)致活(huo)性氮原(yuan)子(zi)向(xiang)内(nei)扩散不(bu)均匀(yun)所(suo)致。
2.3微(wei)观形貌(mao)及元素(su)分析
图3为800℃感应渗氮(dan)1h后(hou)的TC4钛合(he)金(jin)截面(mian)形貌和EDS分析。从(cong)图3(a，b)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出，未经机(ji)械(xie)球磨的渗(shen)氮(dan)层(ceng)较致(zhi)密(mi)，与基体有明显的(de)分界(jie)线(xian);而(er)经机(ji)械(xie)球(qiu)磨后，渗(shen)氮层与基(ji)体没有(you)明(ming)显界限(xian)。通过EDS测试发现白亮(liang)层(ceng)为富(fu)氮区(qu)域(yu)，进一(yi)步(bu)证实(shi)了该(gai)白(bai)亮(liang)层为氮化(hua)物(wu)层。从EDS图(tu)中可以(yi)看(kan)出，经机(ji)械球磨(mo)处理后试(shi)样(yang)元(yuan)素含(han)量变(bian)化(hua)幅(fu)度(du)明(ming)显(xian)，证(zheng)实(shi)了图2所(suo)述(shu)。表(biao)1为(wei)经800℃渗(shen)氮后TC4钛(tai)合金截(jie)面的(de)化(hua)学成(cheng)分(fen)。可(ke)以看(kan)出(chu)，未经机械球磨处理(li)的(de)试样截(jie)面的氮(dan)含量高(gao)于(yu)经机械研磨处(chu)理(li)后(hou)的(de)氮含量(liang)。这(zhe)是可能(neng)是(shi)因为(wei)经(jing)机(ji)械球(qiu)磨处理(li)后，试样(yang)表(biao)面(mian)在(zai)磨球的(de)撞击下(xia)产(chan)生塑性变(bian)形，形成大量(liang)的(de)缺陷，使得试(shi)样(yang)表(biao)面(mian)粗糙度大(da)，粘附(fu)活性氮(dan)原(yuan)子(zi)向(xiang)基体扩(kuo)散不(bu)均(jun)匀(yun)，使(shi)得(de)氮(dan)含量(liang)低(di)于(yu)未(wei)经(jing)机械球(qiu)磨(mo)的氮(dan)含量(liang)。
2.4截(jie)面硬(ying)度分(fen)析(xi)
图4为TC4钛合金(jin)的(de)截面硬度分(fen)布(bu)，其中(zhong)ＲAW代表未(wei)处理原(yuan)试(shi)样，SMAT代表(biao)仅经(jing)过机械球(qiu)磨处理(li)的试样(yang)。图(tu)4(a)为未经(jing)机械(xie)球(qiu)磨直(zhi)接(jie)渗(shen)氮后TC4钛(tai)合(he)金(jin)的硬度(du)分布(bu)，可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，未(wei)经(jing)渗(shen)氮处(chu)理(li)的TC4钛(tai)合金(jin)截(jie)面平均硬(ying)度约为(wei)350HV0.025，直(zhi)接(jie)渗氮(dan)处(chu)理(li)后(hou)截面硬度最高达(da)1048.10HV0.025，是(shi)基体试样(yang)的(de)2.99倍，硬(ying)度(du)随深度的增加(jia)而下(xia)降(jiang)，在渗氮(dan)温(wen)度(du)为(wei)900℃时(shi)，硬(ying)度(du)下降得(de)最缓慢(man)，且试样(yang)的硬(ying)度高于其他(ta)渗(shen)氮温度(du)的试样硬(ying)度，其(qi)原(yuan)因是渗氮(dan)温度越(yue)高，活性氮原子的(de)扩散(san)速率(lv)越(yue)大，使(shi)得次表层(ceng)的硬度得以(yi)提高(gao)。图(tu)4(b)为机(ji)械球(qiu)磨及渗氮(dan)后的(de)硬度(du)分布(bu)，可知，仅(jin)通过球磨的试样截(jie)面(mian)硬度(du)与(yu)未处理试样接(jie)近。由(you)于(yu)试(shi)样在机械球(qiu)磨过(guo)程(cheng)中只发(fa)生塑(su)性(xing)变(bian)形，表(biao)面(mian)并没有(you)发生成分变(bian)化(hua)，因此(ci)其(qi)强(qiang)化(hua)作用(yong)仅(jin)仅通过(guo)细化(hua)晶(jing)粒和(he)引(yin)入位错(cuo)获得，钛合金本身的(de)形(xing)变硬(ying)化(hua)效应(ying)较低，因此从(cong)硬(ying)度(du)上(shang)看提升作(zuo)用(yong)有限(xian)。再经渗氮处(chu)理后，试(shi)样(yang)截(jie)面(mian)硬度明显(xian)提(ti)高，但其(qi)硬度稍低(di)于(yu)直(zhi)接(jie)渗氮(dan)样。可以(yi)发现(xian)，球磨后(hou)再渗(shen)氮的(de)试样其(qi)硬(ying)度梯(ti)度更加(jia)平(ping)缓。与直(zhi)接(jie)渗氮(dan)试样(yang)不(bu)同，随(sui)着渗(shen)氮温度的升(sheng)高，球磨渗(shen)层硬度呈(cheng)逐(zhu)渐(jian)下(xia)降的(de)趋(qu)势。这可能(neng)是因(yin)为(wei)较(jiao)高(gao)的(de)渗氮温度(du)造(zao)成TC4合(he)金(jin)表层(ceng)变(bian)形细晶(jing)区(qu)的(de)回(hui)复和(he)晶(jing)粒(li)长(zhang)大(da)［26］，同(tong)时(shi)，高(gao)温下(xia)合金(jin)成(cheng)分(fen)的固溶进一(yi)步降(jiang)低了(le)表层硬(ying)度。而(er)在(zai)800℃下(xia)渗(shen)氮，由(you)于(yu)表层形变带(dai)来的缺(que)陷促(cu)进了N原子(zi)的扩(kuo)散(san)和(he)反(fan)应，TiN的量(liang)相(xiang)比直接(jie)渗(shen)氮(dan)要(yao)多(duo)，加上(shang)较(jiao)为(wei)细(xi)小的(de)组(zu)织(zhi)，其硬度(du)较高，渗层也较(jiao)厚。另(ling)外，球磨(mo)渗(shen)氮(dan)的试样表(biao)层硬(ying)度(du)波(bo)动较大(da)，结合图2(d)可(ke)知，试(shi)样(yang)的(de)渗氮(dan)层(ceng)不(bu)均匀(yun)，但(dan)是扩散较深，显(xian)微(wei)硬度(du)测(ce)试时，压痕(hen)可能在氮化(hua)物区(qu)域，也(ye)可能(neng)在(zai)β相(xiang)基(ji)体，而两(liang)者硬度相(xiang)差(cha)极大(da)，造成显微硬度的(de)波(bo)动(dong)。
2.5脆性(xing)分析(xi)
图5为不(bu)同(tong)渗(shen)氮温度(du)下TC4钛合金(jin)渗(shen)氮(dan)层(ceng)的(de)截面压痕形貌(mao)。在(zai)不同(tong)载荷下对(dui)渗氮(dan)层(ceng)进行脆(cui)性(xing)测试，通过压(ya)痕(hen)边(bian)缘的(de)裂(lie)纹(wen)情况(kuang)判断渗(shen)氮(dan)层的(de)脆(cui)性，间(jian)接判(pan)断(duan)渗氮(dan)层与基(ji)体的结(jie)合(he)力及抗(kang)动载荷(he)或(huo)冲(chong)击能力(li)［23］。
由图(tu)5可(ke)知(zhi)，在小载(zai)荷(he)下(xia)压(ya)痕周围均(jun)未(wei)产生(sheng)裂纹(wen)，当(dang)载(zai)荷(he)达到100g时(shi)，直(zhi)接渗氮(dan)试(shi)样的渗氮(dan)层均出现明(ming)显裂纹(wen)，且(qie)随着(zhe)渗(shen)氮温(wen)度升(sheng)高，截面(mian)硬度(du)及(ji)渗(shen)氮(dan)层(ceng)厚度的(de)增(zeng)加，裂纹越(yue)明显(xian)，脆性(xing)增大，表(biao)面塑性降(jiang)低。而经(jing)复(fu)合强化处理(li)后的试样(yang)在(zai)较低渗氮温(wen)度(du)下(xia)时(shi)，载荷达(da)到(dao)200g时渗氮层(ceng)周围(wei)才(cai)出(chu)现裂(lie)纹(wen)，而在(zai)900℃渗氮温(wen)度(du)下，载荷达到100g，渗(shen)氮(dan)层(ceng)周围(wei)就会(hui)出现裂(lie)纹。表明(ming)经直(zhi)接(jie)渗氮处(chu)理(li)试样渗(shen)氮层的(de)脆性(xing)比经(jing)复合强(qiang)化处(chu)理试样渗(shen)氮层的(de)脆(cui)性(xing)大(da)，表(biao)面塑性(xing)低。
2.6耐(nai)磨(mo)性分析
图(tu)6为经(jing)磨(mo)损试验(yan)后的原(yuan)样、机(ji)械(xie)球(qiu)磨、直(zhi)接渗(shen)氮(dan)和复合(he)强(qiang)化处理后试样(yang)的(de)磨(mo)损(sun)量。由(you)图6可知，经(jing)直(zhi)接渗(shen)氮和复合强(qiang)化处理(li)后(hou)试样磨损(sun)量明显(xian)降低(di)，TC4钛(tai)合金的耐磨(mo)性(xing)显著提(ti)高(gao)。未(wei)经(jing)渗氮处理的TC4钛合金磨损严重，磨损量(liang)最大(da)，而(er)经(jing)机(ji)械球(qiu)磨处(chu)理后(hou)的(de)试样磨损量(liang)较(jiao)未处理的(de)试样(yang)小，这(zhe)是(shi)由(you)于(yu)经机(ji)械球磨处(chu)理后(hou)由(you)于(yu)纳(na)米晶(jing)的出(chu)现以及应(ying)变硬(ying)化(hua)效应(ying)使(shi)试(shi)样表面(mian)硬度有(you)所(suo)增大(da)，而且在磨(mo)损(sun)前期(qi)是摩(mo)擦小(xiao)球(qiu)与表(biao)面硬质(zhi)杂质(zhi)的(de)摩擦，导致(zhi)磨(mo)损(sun)量较小。
由显(xian)微(wei)硬度及图6(a)可(ke)知(zhi)，小载荷5N不(bu)足(zu)以破坏渗(shen)氮(dan)层(ceng)，因此(ci)经(jing)直(zhi)接(jie)渗(shen)氮和(he)复合强化(hua)处(chu)理的(de)试样(yang)均(jun)有较低的磨损量，且不(bu)同渗氮(dan)温(wen)度(du)之间(jian)其(qi)磨损量(liang)变(bian)化(hua)不(bu)大。随(sui)着载荷增加到10N，摩擦小球对(dui)试样(yang)的剪切(qie)力增大，磨痕(hen)区产生大(da)量的塑(su)性变形(xing)，使试样的(de)抗周(zhou)期疲劳(lao)强(qiang)度下降，导致磨损(sun)量(liang)增(zeng)加。在不(bu)同载(zai)荷(he)下(xia)经(jing)直(zhi)接(jie)渗(shen)氮处(chu)理(li)后的磨损量均(jun)比(bi)复合(he)强化(hua)处(chu)理
后(hou)的小。渗氮(dan)后(hou)的钛(tai)合(he)金的耐(nai)磨性主(zhu)要与表(biao)面硬(ying)度、氮化(hua)物层厚(hou)度(du)及氮化(hua)物的(de)分布等有(you)关［27］。结(jie)合(he)图(tu)1，由于(yu)复合(he)强(qiang)化(hua)处理后(hou)试(shi)样表面的(de)硬(ying)质(zhi)氮(dan)化物TiN含(han)量较(jiao)少(shao)，耐(nai)摩(mo)擦(ca)屈(qu)服(fu)力(li)较(jiao)小，导(dao)致(zhi)在磨(mo)擦(ca)过程(cheng)中磨(mo)损(sun)量(liang)较(jiao)大，使(shi)得(de)耐磨性(xing)降低(di)。
图(tu)7为TC4钛(tai)合金原(yuan)样、直(zhi)接渗氮(800℃)和复合强化处理后(hou)(800℃)的摩(mo)擦磨损三维形貌图。可知(zhi)，未(wei)处理(li)的(de)试样磨损表(biao)面犁(li)沟(gou)较(jiao)深且(qie)犁(li)沟附(fu)着磨削(xue)，出(chu)现(xian)了黏(nian)着(zhe)撕(si)裂(lie)现(xian)象(xiang)，产(chan)生大量的(de)塑(su)性(xing)变(bian)形［23］。这是(shi)由于(yu)TC4钛(tai)合(he)金(jin)基体(ti)较软造(zao)成的。在(zai)小载荷(he)5N作用下，由于晶界轻微(wei)破坏(huai)，使(shi)得直(zhi)接渗(shen)氮和(he)复(fu)合(he)强(qiang)化(hua)处(chu)理的试(shi)样(yang)磨(mo)损(sun)表(biao)面(mian)相对光滑有少量较(jiao)浅的(de)犁(li)沟(gou)。而(er)在(zai)大载荷(he)10N作用(yong)下(xia)，原样、直(zhi)接渗(shen)氮和复(fu)合强(qiang)化处理(li)后(hou)的(de)试(shi)样磨(mo)损表(biao)面(mian)犁沟较(jiao)深(shen)，没有(you)出(chu)现(xian)黏着撕裂现(xian)象(xiang)，塑性(xing)变形较(jiao)小(xiao);与(yu)原样(yang)相比，处理后(hou)的试(shi)样(yang)产生的(de)磨(mo)损较(jiao)少，耐(nai)磨(mo)损(sun)性能(neng)明显(xian)提(ti)高。
图8为TC4钛(tai)合金(jin)原(yuan)样、直(zhi)接渗(shen)氮(800℃)和(he)复合表面强化(hua)(800℃)后(hou)在(zai)不同(tong)在(zai)载荷下的磨损(sun)轮廓(kuo)曲(qu)线(xian)。可(ke)知(zhi)，在相(xiang)同载荷(he)下(xia)未(wei)处理试(shi)样的(de)磨痕(hen)深(shen)度和(he)宽(kuan)度(du)均大于处(chu)理后的磨痕(hen)深(shen)度和宽(kuan)度(du)，且(qie)直接(jie)渗氮(dan)处(chu)理(li)的(de)轮(lun)廓(kuo)深度(du)小(xiao)于复(fu)合(he)表(biao)面强(qiang)化的轮(lun)廓(kuo)深(shen)度。基体(ti)和(he)渗氮层(ceng)的磨痕(hen)深(shen)度与(yu)载荷(he)成(cheng)正比。未处理试样(yang)在(zai)载荷(he)为(wei)5N时(shi)，磨痕深(shen)度(du)为20.173!m，在(zai)载(zai)荷(he)为(wei)10N时磨痕深度为26.624μm。在(zai)载荷5N的(de)条件下不(bu)足以破坏(huai)渗氮层，晶界(jie)轻(qing)微破(po)坏(huai)，使得处理(li)试(shi)样具(ju)有最小(xiao)的磨痕深(shen)度。而(er)在载(zai)荷(he)为(wei)10N的(de)条(tiao)件(jian)下，渗(shen)氮层被(bei)严(yan)重(zhong)破(po)坏(huai)，磨痕深(shen)度剧(ju)烈加(jia)深，从曲线(xian)轮(lun)廓波动(dong)情(qing)况(kuang)发(fa)现，处(chu)理后的(de)试样波(bo)动较小，且(qie)呈(cheng)光滑(hua)曲线;而(er)未(wei)处理(li)试(shi)样(yang)轮(lun)廓(kuo)波(bo)动较大(da)，曲(qu)线较粗(cu)糙(cao)。
3、结论(lun)
1)TC4钛(tai)合金经(jing)不(bu)同温(wen)度(du)直接渗氮及经(jing)复(fu)合(he)强化(hua)处(chu)理(li)后，表面物(wu)相主要(yao)以(yi)Ti和TiN为(wei)主;直接(jie)渗氮处(chu)理的(de)试(shi)样元(yuan)素(su)含量成梯(ti)度变(bian)化;而经机械球(qiu)磨处(chu)理后(hou)试样(yang)元(yuan)素含量(liang)变(bian)化幅度(du)明(ming)显。
2)TC4钛合(he)金(jin)经直接(jie)渗(shen)氮后(hou)试(shi)样的(de)渗(shen)层深(shen)度(du)和截(jie)面(mian)硬(ying)度均(jun)随(sui)渗氮温(wen)度(du)的升高(gao)而(er)增加(jia)。经(jing)复(fu)合强(qiang)化处(chu)理后(hou)试(shi)样的渗层(ceng)深(shen)度(du)增加(jia)，渗层硬度(du)梯(ti)度(du)平(ping)缓，但渗氮层(ceng)不均(jun)匀，其(qi)截面(mian)硬(ying)度(du)低于(yu)直接(jie)渗(shen)氮(dan)处理的;直(zhi)接渗(shen)氮处理(li)试(shi)样(yang)的渗(shen)氮层(ceng)的脆(cui)性比(bi)经复合强(qiang)化(hua)处(chu)理(li)试(shi)样渗(shen)氮(dan)层的脆(cui)性大，表(biao)面塑性(xing)低。
3)TC4钛合金(jin)经(jing)复合表(biao)面(mian)强化(hua)后(hou)耐磨性(xing)得到(dao)提高，且随渗氮(dan)温度的升(sheng)高而提(ti)高(gao)，但整(zheng)体(ti)耐磨(mo)性(xing)略(lve)低于直接(jie)渗(shen)氮试样(yang)。
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相(xiang)关(guan)链(lian)接
