鈦及鈦合金具有密度低、強度高、耐蝕、化學穩定性好等特征,在生物醫療、航空工業和機械工業等領域有廣泛的應用。但是,鈦及鈦合金存在著摩擦系數高、硬度低等缺點,限制了其應用領域。為提高鈦及鈦合金的疲勞性能和表面硬度,本文采用表面機械強化和激光表面合金化技術對工業純鈦TA2進行了表面改性處理。 對a-Ti和a′-Ti分別進行噴丸和滾壓表面機械強化。在Amsler-5100疲勞試驗機上,測定應力比為0.1、循環周次為10~6的室溫三點彎曲條件疲勞強度。利用透射電子顯微技術、X射線衍射技術研究了表面機械強化層的組織亞結構和殘余應力分布,測定了試樣表面粗糙度。 a-Ti經噴丸、滾壓后的組織、殘余應力粗糙度對比研究結果表明:1)強化層組織中均可觀察到位錯和變形孿晶。滾壓形成了單個分散的孿晶,噴丸表層中形成大量相互交疊的孿晶和變形帶;疲勞后,噴丸組織中產生孿晶-孿晶的交互作用,而滾壓組織中是孿晶-晶界的交互作用。2)噴丸較滾壓強化表層殘余應力松弛顯著,疲勞后兩者的表層殘余應力相當。3)噴丸較滾壓粗糙度高一個數量級。 a'-Ti噴丸強化表面層具有較高的表面粗糙度,殘余壓應力在疲勞加載中部分松弛,近表面強化層組織中形成的高密度位錯、準孿晶柵欄和變形帶是疲勞強度提高的主要因素。a'-Ti滾壓強化表面層中變形孿晶數量較少,但疲勞加載使變形孿晶長大(變粗變長)的過程中,變形孿晶穿越馬氏體板條束,起到分割、細化基體組織和抑制殘余應力衰減的作用;加之滾壓處理試樣表面粗糙度低,因此疲勞強度提高。 采用CO_2激光器對a-Ti進行表面合金化。所添加的合金化材料為:N_2,C,Ti+C,Ti+W+C元素;WC,TiC陶瓷;Ti+WC,Ti+TiC,Ti+C+WC金屬-陶瓷。對合金化層的組織結構、相組成和顯微硬度進行測試分析。 a-Ti激光重熔層由針狀a′-Ti構成。針狀組織在晶界處較晶粒內粗大。激光氣體氮化層由TiN和a′-Ti構成,激光氣體氮化機制為N_2在Ti表面的吸附、N_2的分解、表面反應、氮的擴散、TiN的析出和熔體的凝固。 a-Ti激光碳合金化層由TiC和a′-Ti構成。TiC的生長形貌與凝固速度和熔池中的C濃度有關,TiC形貌有樹枝狀、十字花瓣狀、胞枝狀、發達樹枝晶、球狀以及針狀。TiC的合成過程分為三個階段:激光輻照時,固態C顆粒迅速擴散至激光熔池并被液鈦包圍;首先固-液結合界面處的Ti和C直接反應形成TiCx,隨后液Ti擴散并穿過TiCx層與剩余的C進行反應,生成的TiC溶于液相中;快速凝固過程中,TiC從溶液中析出并長大。復合添加C+Ti粉,改善了界面結合質量,合金化層組織因激光多道掃描,不同Ti/C比例的組織與單獨添加C相似。 激光表面合金化TiC和WC,熱影響區/合金化層界面處存在孔洞等缺陷。復合添加TiC+Ti界面層處TiC出現部分熔化現象。復合添加Ti+WC合金粉末中,TiC的形成需要WC熔化、分解出[C]。Ti/WC比例越低,所提供的[C]越多,組織中TiC的體積分數越大。 激光表面合金化Ti/WC(2:1)中發現了組織和硬度梯度分布現象,從表面到結合界面陶瓷相組織的變化為:不規則的未熔WC、球形的部分熔化WC和原位自生TiC、斷續網狀的復雜碳化物。這為不改變材料成分制備梯度材料提供了簡單可行的技術。 激光表面合金化Ti+C+WC((Ti+C)/WC=1:1)合金粉末中Ti/C比例對組織有顯著影響。合金化層中TiC形貌主要受初始Ti/C比例的影響。激光表面合金化TiCW體系中形成了(Ti,W)C。但(Ti,W)C組織形貌隨合金粉末成分的差異而變化。 此外,建立了各合金粉末激光表面合金化時組織形成過程的簡單模型。激光表面合金化復合粉末時,激光輻照下低熔點Ti先熔化,隨后熔融態高熔點物質溶解于鈦液形成熔池。合金粉末中的C或WC分解產生的[C]都與Ti的反應,直至C或[C]量耗凈,產物中有原位自生TiC,合金化層硬度與基體a-Ti相比顯著提高。