鈦合金離子注入技術(shù)與其表面處理中的應(yīng)用

鈦合金離子注入是用高能離子轟擊來改變表面性能的一種新工藝，它好像子彈射中物體一樣，即可使被射物體表面得到凈化，又可改變物體表面層的成分和結(jié)構(gòu)，從而增加表面的硬度，提高物體的耐磨損和耐腐蝕的能力。與物理或化學(xué)氣相沉積相比,主要優(yōu)點(diǎn)在:①膜與基體結(jié)合好,抗機(jī)械、化學(xué)作用不剝落能力強(qiáng);②注入過程不要求升高基體溫度,從而可保持工件幾何精度;③工藝重復(fù)性好等。許多研究者報(bào)道了氮離子注入對(duì)Ti6Al4V鈦合金表面成分、組織結(jié)構(gòu)、硬度及摩擦學(xué)性能有良好改善效果。TiC也是超硬相,故鈦合金經(jīng)離子注入碳也同樣可以強(qiáng)化鈦合金表面。但是由于等離子體基離子注入并非連續(xù)過程,施加每一負(fù)脈沖電位時(shí),隨著脈沖電位由零下降至谷值,再回升至零,發(fā)生著濺射和注入兩個(gè)過程。如果等離子體中含有金屬或碳離子時(shí),在脈沖電位為零時(shí),在一定條件下還會(huì)在表面形成單一碳沉積層,在一定脈沖電壓(10~30kV)作用下,該單一碳層的結(jié)構(gòu)為類金剛石碳(DLC)。從而可以獲得比注氮層摩擦系數(shù)更低,耐磨性更好的表面改性層。表面單一碳層經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定其為DLC膜。經(jīng)這樣處理的鈦合金,表面硬度提高4倍,在同種材料構(gòu)成摩擦副,干摩擦條件下,摩擦系數(shù)由0·4下降至0·1,耐磨性較未離子注入的提高30倍以上.

實(shí)現(xiàn)金屬離子注入工藝的設(shè)備一般由三部分組成:金屬離子源和高能加速器(使注入離子獲得高速能量)及一個(gè)真空室.隨著注入技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)改善鈦合金性能和降低鈦合金成本的工藝越來越感興趣.宇航、生物醫(yī)學(xué)、旅游客車零件及切削工具等都可用離子注入技術(shù)來改變性能.在提高切削工具的耐磨損方面效果十分顯著，在切削速度提高58%的情況下，離子注入比未注入工具在低速下的壽命提高60%以上.一般注入氮、碳或者金屬離子錯(cuò).如果增加注入深度，該技術(shù)就完全代替等離子噴涂鋁涂層.注入技術(shù)改善了鈦的耐磨性能，使鈦用于燃料噴注器和活塞環(huán)上成為可能.另外，注入金屬鋁，可以明顯地改善鈦的耐蝕性，注入鑰的鈦其在HZSO;中的耐蝕性增加了巧00倍.鋅的注入，可以徹底改善Ti一6AI一4V的耐蝕性能。

通常的PVD(物理氣相沉積)制得的TIN、CrN涂層，由于基體溫度要超過400℃，而這一溫度下在鈦表面形成的銳鈦型或金紅石型結(jié)構(gòu)的氧化物層都有很高的硬度，且很難去除，因此，要做到涂層與基體間極好的結(jié)合是比較困難的。為了解決這一問題，出現(xiàn)了一種HyPeinn涂層工藝，該工藝的突出特點(diǎn)是在注入前，基體表面用高能離子轟擊，去除原基體如:6061鋁合金、Ti一6Al-4V、440C不銹鋼的固有的氧化物膜，使涂層與新鮮的基體表面結(jié)合，其結(jié)合力是通常工業(yè)離子鍍的兩倍，殘余應(yīng)力相當(dāng)?shù)?。TIB:用這種技術(shù)處理其殘余應(yīng)力可減少3個(gè)因子。該技術(shù)對(duì)基材的力學(xué)性能無明顯損傷.還可降低沉積溫度。

近來又發(fā)展了一種金屬離子加速沉積工藝，該工藝更易控制，而且得到的離子能量更高，缺點(diǎn)是需要兩個(gè)獨(dú)立的材料源(金屬源和離子源)。離子束增強(qiáng)沉積(IBED):利用離子束增強(qiáng)沉積(IBED)方法制備了CrC硬質(zhì)膜,可用于鈦合金的微動(dòng)磨損防護(hù)。研究表明,CrC顯示出最好的微動(dòng)疲勞特性;而噴丸后涂覆的CrC膜則顯示出了最高的微動(dòng)磨損抗力。離子轟擊:TC11鈦合金經(jīng)氮離子轟擊表面處理后,表面可獲得由TiN和Ti2N組成的改性層,硬度為600~800HV;表面硬度的提高,有利于改善TC11鈦合金的耐磨性。等離子滲氮與噴丸處理:利用直流脈沖等離子電源裝置對(duì)Ti6Al4V鈦合金表面滲氮處理,采用噴丸形變強(qiáng)化(SP)對(duì)滲氮層進(jìn)行后處理,在鈦合金表面獲得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相組成的滲氮層,該改性層能夠顯著地提高鈦合金常規(guī)磨損和微動(dòng)磨損(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力。滲氮層的減摩和抗磨性能與SP引入的表面殘余壓應(yīng)力協(xié)同作用,使鈦合金FF抗力超過了SP單獨(dú)作用。提高滲氮層韌度對(duì)改善鈦合金FF和FW性能均十分重要。DLC膜:復(fù)合碳膜具有獨(dú)特的物理、力學(xué)和化學(xué)性能,它已被作為眾多的研究對(duì)象。利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備類金剛石薄膜,其主要目的也是為提高鈦合金的表面硬度和耐摩擦性。試驗(yàn)結(jié)果表明膜中鈦含量超過9%,膜的硬度將會(huì)下降,且膜基結(jié)合力強(qiáng)度也是有限的。