钛合金真空脉冲碳氮复合扩渗层的结构演化与强化机理研究

The surface hardness and wear resistance of titanium alloy can be significantly improved by nitriding and carburizing. This project intends to use vacuum pulse C. N complex seeping technology to prepare composite strengthened layers in the surface of three titanium alloys: TA2 (α-type), TC4 (α + β type) and TB8 (β type). Carbon and nitrogen atoms will have higher active and lower diffusion activation energy when carburizing and nitriding under vacuum and pulse atmosphere. Therefore, the problems such as thin surface diffusion layer, poor kinetics, weak binding force which exist in traditional gas carburizing and nitriding can be resolved. Moreover, the other advantages of the new technology are no restriction of shape, economic and reliable. The composition, structure, phase composition, case depth and the residual compressive stress will be characterized by means of EPMA, HRTEM and EBSD and other methods. Establish a new isothermal kinetics model based on the thermal effect, equilibrium pressure and the phase structure of the reaction system. Investigate the mechanism of diffusion and interaction of C, N, Ti and Al in compound layer /diffusion layer /matrix. Then the microstructure characteristics and its evolution rule of C. N composite gradient strengthened layers will be obtained. Study on the strengthening mechanism and the relationship between surface layer and the strengthening effect. The measures for control the surface layer will be obtained. The research results of the project have important significance to enrich the surface strengthening technology and theory of titanium alloy.

渗氮和渗碳可显著提高钛合金表面硬度和耐磨性。本项目拟采用真空脉冲碳氮复合渗技术在TA2（α型）、TC4（α+β型）及TB8（β型）三种钛合金表面制备复合强化层。利用真空和脉冲气氛下碳、氮原子活性高、扩散激活能低等特点，解决传统钛合金气体渗碳和渗氮中存在的渗层薄、动力学差和结合力弱等问题，同时该方法还具有无形状选择性和经济性等优势。采用EPMA、HRTEM及EBSD等手段对表层成分、组织、相结构、渗层深度及残余应力分布等进行表征。基于扩渗过程中反应体系热效应、平衡压和相结构的变化规律建立等温扩散动力学模型。综合分析扩渗过程中化合物层/扩散层/基体中C、N、Ti及Al等原子的扩散和相互作用机制。获得碳氮复合梯度强化层的组织结构特征和演变规律。系统研究合金渗层强化机理以及渗层结构变化对强化作用的影响规律，实现对表层结构的调控和优化。项目研究结果对丰富和完善钛合金表面强化技术和理论具有重要意义。

针对钛合金硬度较低、耐磨性较差的问题，本项目提出了一种新的钛合金表面碳氮复合渗技术，该技术具有效率高、成本低等优点。通过工艺优化获得具有一定成分梯度、组织梯度和残留压应力分布的表面强化层，强化层组织均匀、硬度高、耐磨损及耐蚀性优异。另外，项目组根据提出的真空化学热处理工艺研制了专用自动化设备，保证了后续研究内容的顺利开展。在机理研究方面，建立了一套针对碳氮复合渗中表层吸附、原子扩散及化学反应过程控速的等温反应动力学模型，通过模型明确了反应机理，并获得了反应活化能、特征反应时间等参数。该模型能同时实现对混合控速过程的动力学模拟。通过模型的进一步改进，实现了对渗氮、渗碳等典型气固动力学反应过程中特征反应时间的预测，对反应参数和工艺条件的制定提供了有益参考。在组织结构方面，通过HRTEM、STEM/HAADF、EBSD等手段分析了钛合金在渗碳、渗氮及碳氮复合渗过程中的成分、组织及结构变化规律，特别是对C、N元素的扩散渗入机制、分布状态、扩散激活能以及与基体元素（Ti、Al、V等）的分布特征和相互作用机制进行了系统研究，基本掌握了C、N及Al、V合金元素的分布规律。此外，为进一步了解反应过程中的原子扩散规律，项目组利用DEFORM数值模拟手段对C、N扩渗过程进行了仿真分析。在性能分析方面，项目系统研究了TA2和TC4两种钛合金在渗碳、渗氮及碳氮复合渗后的干摩擦、电化学腐蚀、腐蚀液中的磨损腐蚀特性等，并初步研究了TB8和TC6两种合金的磨损特性。通过上述工作初步建立了TA2和TC4两种钛合金碳氮强化层的表层相分布、组织结构特征、成分分布以及残留应力分布与合金渗层硬度分布、结合力、耐磨性和磨损腐蚀行为之间的对应关系，进而对扩渗层组织结构和宏观性能进行了调控与优化设计。项目的研究对了解钛合金强化机理，扩展其应用范围具有一定理论和实际意义。