鈦合金離子注入技術與其表面處理中的應用

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構，從而增加表面的硬度，提高物體的耐磨損和耐腐蝕的能力。與物理或化學氣相沉積相比,主要優(yōu)點在:①膜與基體結合好,抗機械、化學作用不剝落能力強;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工藝重復性好等。許多研究者報道了氮離子注入對Ti6Al4V鈦合金表面成分、組織結構、硬度及摩擦學性能有良好改善效果。TiC也是超硬相,故鈦合金經離子注入碳也同樣可以強化鈦合金表面。但是由于等離子體基離子注入并非連續(xù)過程,施加每一負脈沖電位時,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過程。如果等離子體中含有金屬或碳離子時,在脈沖電位為零時,在一定條件下還會在表面形成單一碳沉積層,在一定脈沖電壓(10~30kV)作用下,該單一碳層的結構為類金剛石碳(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。表面單一碳層經實驗確定其為DLC膜。經這樣處理的鈦合金,表面硬度提高4倍,在同種材料構成摩擦副,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.

實現(xiàn)金屬離子注入工藝的設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)及一個真空室.隨著注入技術的發(fā)展，人們對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、旅游客車零件及切削工具等都可用離子注入技術來改變性能.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.如果增加注入深度，該技術就完全代替等離子噴涂鋁涂層.注入技術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構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合，其結合力是通常工業(yè)離子鍍的兩倍，殘余應力相當?shù)?。TIB:用這種技術處理其殘余應力可減少3個因子。該技術對基材的力學性能無明顯損傷.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，缺點是需要兩個獨立的材料源(金屬源和離子源)。離子束增強沉積(IBED):利用離子束增強沉積(IBED)方法制備了CrC硬質膜,可用于鈦合金的微動磨損防護。研究表明,CrC顯示出最好的微動疲勞特性;而噴丸后涂覆的CrC膜則顯示出了最高的微動磨損抗力。離子轟擊:TC11鈦合金經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Ti6Al4V鈦合金表面滲氮處理,采用噴丸形變強化(SP)對滲氮層進行后處理,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力協(xié)同作用,使鈦合金FF抗力超過了SP單獨作用。提高滲氮層韌度對改善鈦合金FF和FW性能均十分重要。DLC膜:復合碳膜具有獨特的物理、力學和化學性能,它已被作為眾多的研究對象。利用射頻等離子體增強化學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。試驗結果表明膜中鈦含量超過9%,膜的硬度將會下降,且膜基結合力強度也是有限的。