渗碳处理对TA31钛合金棒组织及性能影响

TA31钛合金是一种名义成分为Ti-6Al-3Nb2Zr-1Mo的近α型钛合金，除具备钛合金传统的高比强度外，该牌号钛合金还具备突出的耐海水、海洋大气腐蚀性能!。因此TA31钛合金发展成为海洋工程装备中常用的一种钛合金。但在实际应用过程中,TA31钛合金遇到与其他牌号钛合金相同的挑战。因TA31钛合金硬度较低导致表面耐磨性较差，产品实际使用寿命较低。随着全球航空航天和航海事业的快速发展，以及金属加工制造领域的技术迭代，提高钛合金表面硬度可以通过表面处理的工艺实现，钛合金表面处理方式发展至今，主要包括表面渗氮、表面渗碳、阳极氧化、微弧氧化等技术[2-4]。

渗碳处理是钛合金工件常用的一种表面处理方式，根据具体渗碳工艺的不同可细分为固体渗碳、气体渗碳、离子渗碳法，其目的均是通过表面渗碳的方式提高钛合金表面硬度，从而提高钛合金工件整体的耐磨性[5-8]。Ji等[9]将Ti6A14V合金样品放人专用设备中进行氧碳共渗，发现渗层表面硬度比基体硬度提高了3.8倍，且渗层硬度呈梯度变化。

张赫[10将TA1、TC4和TC213种合金进行固体渗碳处理，其表面硬度与原始合金硬度相比分别提升了350.99%、163.67%、175.39%。但是目前针对TA31钛合金耐磨性差的问题进行表面处理的研究较少，为改善海洋工程装备中常用的TA31钛合金的表面耐磨性，本文在其他牌号钛合金渗碳处理的基础上进行，研究TA31钛合金的渗碳处理。对比渗碳处理前后TA31钛合金显微组织、显微硬度、室温拉伸性能及冲击性能，研究渗碳处理过程对TA31钛合金显微组织及力学性能的影响。

1、实验材料与方法

实验选用西安超晶科技股份有限公司生产的TA31钛合金锻造棒材作为材料，棒材通过七火次自由锻造制备完成。选取制作两件同等状态的Φ200mmx30mm的试样块,标记为1#和2#,其中1#试样为对比试样，不进行任何处理，,对2#试样进行固体渗碳处理。2#试样的渗碳处理采用上海麦克林生化科技有限公司生产的50目石墨粉、99.99%的碳酸钡作为原材料，按9:1的质量比配制成专用渗碳剂。2#试样块与渗碳剂放置真空热处理炉中，执行900℃保温420min后随炉冷却的工艺进行渗碳处理。

渗碳处理完成后对1#及2#试样块按同样的取样方式进行取样，取样位置及试样规格如图1所示。

其中显微硬度、显微组织及X射线衍射试样按图1所示在试样块表面取样，试样表面均有渗碳层,用以表征试样表面特性。但室温拉伸及冲击试样按图1在相应位置截面中心厚度处取样，所取试样为Φ200mmx30mm试样块的内部试样，因渗碳深度有限，所以室温拉伸及冲击试样两类力学试样的表面无渗碳层。在截面中心厚度处取样是为了使力学性能测试更具代表性,反映材料基体本身的力学性能，研究长时间高温处理对TA31钛合金基体材料的力学性能有无明显影响。

取样后分别通过ICX41M型金相显微镜、FHVW-1Z显微维氏硬度仪、UTM5105SYXL万能拉伸试验机、JBS-300型冲击试验机、X'PertPRO型X射线衍射仪等设备对相应试样进行检测，对比渗碳前后TA31钛合金显微组织及力学性能的差异。

2、实验结果及讨论

2.1显微组织

为研究持续高温渗碳后TA31钛合金基材的显微组织变化,对两种试样的显微组织进行对比，图2是渗碳处理前后TA31钛合金基材的显微组织照片。对比图2a和b可以看出,渗碳前后TA31钛合金的显微组织均为双态组织,组织类型未发生变化。

但渗碳后TA31钛合金的次生α相发生粗化，由渗碳前的40 μm粗化到60 μm左右。这是由于渗碳过程有超过持续420min以上的高温过程，次生α相在高温能量驱动下逐渐长大，导致渗碳后TA31钛合金的次生α相发生粗化。

2.2显微硬度

鉴于渗碳处理是通过提高材料表面硬度进而提高材料耐磨性这一特性，对渗碳前后TA31钛合金试样表面硬度进行测试。对未进行渗碳处理的1#试样及渗碳处理的2#试样按图1所取的显微硬度试样进行表面显微硬度测试，首先分别在2个试样表面任选3点测试表面硬度，以对比表征渗碳处理对TA31钛合金表面硬度的提高程度，测试数据如表1及图3所示。

由表1可以看出，渗碳处理后TA31钛合金表面硬度平均值可达939.7HV，比原钛合金基体表面的平均硬度310.4HV提升了203%，渗碳处理后TA31钛合金的表面硬度得到显著强化。图3是渗碳处理前后TA31钛合金表面硬度对比，可以看到2种试样的硬度数据分布集中，表明两种状态材料的硬度均匀性良好,且渗碳处理对TA31钛合金表面硬度提升明显。

为探究TA31钛合金渗碳后表面的物相组成，对渗碳试样块表面取样进行XRD分析，如图4所示。从XRD测试结果可以看出，试样表面除了α-Ti的衍射峰外，出现了TiC的衍射峰,证明在渗碳处理后TA31钛合金表面有TiC相生成。TiC相的硬度比钛合金材料的硬度高,所以TiC相的生成会使材料表面硬度有较为明显的提高。其他牌号钛合金渗碳处理的相关研究也对渗碳后碳原子进人钛合金基体后形成的物相进行研究，一致认为是碳原子与钛基体形成新的TiC相进而提高钛合金的表面硬度，同时碳原子进人钛基体会对钛合金的位错运动起“钉扎"作用，这2种作用共同导致TA31钛合金的表面硬度提高,同时其表面耐磨性有明显提升[1-1]。

为进一步研究本次渗碳层的有效深度，对渗碳后试样的渗碳截面进行梯度显微硬度测试，沿渗碳截面测试距离端面10、30、50、70、100μm处的显微硬度。图5为梯度显微硬度测试结果，可以看出在距表面100μm时的显微硬度达到362HV，相比表1中未渗碳1#试样最高表面硬度313HV高49HV,因此可以得出本次渗碳处理的有效深度超过100 μml1618]。

2.3力学性能变化研究

对渗碳处理前后的TA31钛合金材料按图1取样进行弦向室温拉伸及弦向冲击性能对比测试,表2是具体测试结果。从表2可以看出,渗碳处理前TA31钛合金的抗拉强度及屈服强度为858、773MPa，渗碳处理后的抗拉强度及屈服强度为839、763MPa，渗碳后TA31钛合金的强度出现小幅降低。渗碳后TA31钛合金的断后伸长率出现0.5%的较小幅度增高，断面收缩率从未渗碳的38%提高到渗碳后的48%，表明渗碳后TA31钛合金的塑性有较为明显的提高。同时渗碳后TA31钛合金的冲击吸收功由111J下降到95.4J,表明材料的缺口敏感性降低。

渗碳后TA31钛合金的强度降低、塑性提高、缺口敏感性降低，这些力学性能的变化规律结合渗碳后TA31钛合金次生α相粗化情况分析其变化原因为由于渗碳后TA31钛合金的次生α相生长变大，基体内晶界减少,对室温下塑性变形的晶粒滑移阻碍作用减弱，导致TA31钛合金的力学性能会出现强度降低、塑性提高、缺口敏感性降低的变化[19-21]。

因此在实际工程应用中要结合工况性能要求，适当调整渗碳处理工艺参数，可以在强度性能较少降低、塑性略微提高的基础上有效提高TA31钛合金的表面硬度,进而提高其耐磨性。

3、结论

(1)固体渗碳处理后TA31钛合金的显微组织会发生次生α相粗化，该变化导致渗碳后TA31钛合金强度略微降低、塑性提高、缺口敏感性降低。

(2)通过固体渗碳处理后TA31钛合金表面最高硬度达到945HV，较基体硬度提升约203%，有效硬化层超过100μm。渗碳处理可有效提高TA31钛合金的表面硬度，改善其耐磨性。

参考文献：

[1]缪顿.氧元素对TA31合金热变形行为及热锻组织力学性能的影响研究[D].秦皇岛：燕山大学，2019.

MIAO D. Study on the effect of oxygen contents on hot deformation behavior and mechanical properties of hot forged structure of TA31 alloy[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2019.

[2]WU X P, KALIDINDI S R, NECKER C, SALEM A A. Prediction of crystallographic texture evolution and anisotropic stress-strain curves during large plastic strains in high purity α-titanium using a Taylor-type crystal plasticity model[]. Acta Materialia, 2007, 55(2): 423-432,

[3]ASK M, ROLANDER U, LAUSMAA J, KASEMO B. Microstructure and morphology of surface oxide films on Ti-6Al-4V[J]. Journal of Materials Research, 1990, 5(8): 1662-1667.

[4] KHAN R H U, YEROKHIN A, LI X, DONG H, MATTHEWS A.Surface characterisation of DC plasma electrolytic oxidation treated 6082 aluminium alloy: Effect of current density and electrolyte concentration[J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 205(6):1679-1688.

[5]KIM T S, PARK Y G, WEY M Y. Characterization of Ti-6Al-4V alloy modified by plasma carburizing process[J]. Materials Science and Engineering: A, 2003, 361(1-2): 275-280.

[6] TESSIER P Y, PICHON L, VILLECHAISE P, LINEZ P, ANGLERAUD B, MUBUMBILA N, FOUQUET V, STRABONI A,MILHET X, HILDEBRAND H F. Carbon nitride thin films as protective coatings for biomaterials: Synthesis, mechanical and biocompatibility characterizations[3J. Diamond and Related Materials,2003, 12(3-7): 1066-1069.

[7] 董帮柱.钛合金表面微织构/渗碳化调控DLC涂层膜基界面及磨损行为的机理研究[D].苏州：苏州大学,2022.

DONG B Z. Mechanism study on Ti-alloy surface micro-texture/carburizing regulation DLC coatings film-substrate interface and wear behavior[D]. Suzhou: Soochow University, 2022.

[8] KONKHUNTHOT N, PHOTONGKAM P, WONGPANYA P. Improvement of thermal stability, adhesion strength and corrosion performance of diamond-like carbon films with titanium doping[J].Applied Surface Science, 2019, 469: 471-486.

[9]JI S C, LI J L, WANG S P, YANG H Y, CHANG C Y. Performance of oxygen-carbon Co-cementation coating on titanium alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2022, 51(11): 3956-3963.

[10]张赫.钛合金的磨损行为与渗碳层的生长机制研究[D].长春：吉林大学,2024.

ZHANG H. Investigation on wear behavior and carburized layer growth mechanism of Ti alloys[D]. Changchun: Jilin University,2024.

[11]代燕,吴旋，杨峰,李坤茂，刘静,欧梅桂.TC6钛合金渗碳层在不同介质环境中的腐蚀磨损性能[]中国表面工程,2020,33(2)：47-56.

DAI Y, WU X, YANG F, LI K M, LIU J, OU M G. Corrosion and wear properties of carburized layer on TC6 titanium alloy in different environments[JJ. China Surface Engineering, 2020, 33(2):47-56.

[12] YUE H C, GAO S S, LI Y, YU H Y. Nano-friction properties research of pure titanium surface by means of nitrogen plasma ion implantation technique[J]. International Journal of Stomatology,2012, 39(3): 317-320.

[13] XING Y Z, JIANG C P, HAO J M. Time dependence of microstructure and hardness in plasma carbonized Ti-6Al-4V alloys [J]. Vacuum, 2013, 95: 12-17.

[14] LUO Y, RAO X, YANG T, ZHU J H. Effect of solid carburization n the tribological behaviors of Til3Nb13Zr alloy[J]. Journal of Tribology, 2018, 140(3): 031604.

[15]姬寿长，李争显，罗小峰，杜继红，华云峰，王彦锋.TC21钛合金表面无氢渗碳层耐磨性分析[].稀有金属材料与工程，2014,43(12): 3114-3119.

JI S C, LI Z X, LUO X F, DU J H, HUA Y F, WANG Y F.Wearability analysis of hydrogen-free carburized coating on TC21 titanium alloy surface[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2014, 43(12): 3114-3119.

[16] TSUJI N, TANAKA S, TAKASUGI T. Effect of combined plasma-carburizing and deep-rolling on notch fatigue property of Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2009,499(1-2): 482-488.

[17]汪旭东，陈康敏，周飞，全成.渗碳时间对TC4钛合金显微组织和强化效果的影响[].金属热处理,2017,42(10)：16-22.

WANG X D, CHEN K M, ZHOU F, QUAN C. Effect of carburizing time on microstructure and strengthening effect of TC4 titanium alloy[JJ. Heat Treatment of Metals, 2017, 42(10): 16-22.Mar.2025

[18] ATAR E, SABRI KAYALI E, CIMENOGLU H. Characteristics and wear performance of borided Ti6Al14V alloy[J]. Surface and Coatings Technology, 2008, 202(19): 4583-4590.

[19]李振鹏.TA2钛合金快速渗碳工艺及组织演变规律研究[D]贵阳：贵州师范大学，2019.

LI Z P. Research on rapid carburizing process and microstructure evolution of TA2 titanium alloy[D]. Guiyang: Guizhou Normal University,2019.

[20]赵瑞博.双辉等离子无氢渗碳对TC4钛合金力学性能的影响[D].南京：南京航空航天大学，2020.

ZHAO R B. Effect of double glow plasma hydrogen-free carburizing on mechanical properties of TC4 titanium alloy[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2020.

[21]邹勇.钛合金表面强化处理工艺及其性能研究[D].成都：西南交通大学，2013.

ZOU Y. Study on the process and properties of titanium alloy after surface strengthen [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University,2013.