引言

鈦和鈦合金具有高強(qiáng)度、良好的耐熱性和耐蝕性等特性，在航天、航空、核電、造船及汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在軸承行業(yè)也嶄露頭角，具有良好的發(fā)展前景［1?3]。TC4是鈦合金中可以熱處理強(qiáng)化的α＋β型鈦合金，也是應(yīng)用最廣泛和最重要的一類鈦合金［4]。激光用于金屬表面熱處理，由于其加熱和冷卻過程中過熱度及過冷度均大于常規(guī)熱處理，可獲得細(xì)化和超細(xì)化金屬表面組織，由此可獲得更高的表面硬度［5]。因此可利用激光表面改性技術(shù)應(yīng)用于鈦合金，以提高鈦合金表面的耐磨性。本文對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了不同工藝的激光表面強(qiáng)化處理，研究不同工藝的激光表面強(qiáng)化處理對(duì)其表面硬度和硬化層組織的影響，并與其他固溶處理工藝進(jìn)行了對(duì)比。

1、試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)用TC4鈦合金原材料化學(xué)成分見表1，從表1的數(shù)據(jù)可以看出，其Ａｌ含量為6.80％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）；Ｖ含量為3.97％；鈦含量約88.88％；雜質(zhì)單一含量為0.10％，總和為0.35％，試驗(yàn)用TC4鈦合金原材料化學(xué)成分符合GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)值。

試驗(yàn)用TC4鈦合金原材料硬度見表2，其硬度為31.4HRC。

2、試驗(yàn)結(jié)果與檢測(cè)分析

2.1 TC4鈦合金退火工藝試驗(yàn)與檢測(cè)分析

試驗(yàn)用TC4鈦合金退火溫度為780℃，保溫時(shí)間為90min，試驗(yàn)用TC4鈦合金退火工藝與硬度的關(guān)系見表3。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)用TC4鈦合金退火后硬度為32.2HRC，略高于原材料的硬度（31.4HRC）。

試驗(yàn)用TC4鈦合金原材料的退火組織如圖1所示，其顯微組織為趨等軸狀初生α＋β。

2.2 TC4鈦合金真空固溶＋時(shí)效處理工藝試驗(yàn)與檢測(cè)分析

真空固溶處理采用ＶＯＱ334雙室油氣淬火爐，真空時(shí)效采用ＶＰＴ?7712真空加壓回火爐。試驗(yàn)用TC4鈦合金真空固溶處理與硬度的關(guān)系見表4，試驗(yàn)用TC4鈦合金固溶后時(shí)效處理與硬度的關(guān)系見表5。

從表4的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)用TC4鈦合金真空固溶處理后的硬度為36.5HRC，高于退火后硬度（32.2HRC）和原材料的硬度（31.4HRC）。從表的數(shù)據(jù)可以看出，TC4鈦合金真空固溶＋時(shí)效處理后的硬度在36.4HRC以上，在520℃時(shí)效后的硬度最高，為39.7HRC，比原材料的硬度（31.4HRC）高出8.3HRC，比固溶處理（36.5HRC）高3.2HRC。

2.3 TC4鈦合金激光表層固溶＋時(shí)效處理工藝試驗(yàn)與檢測(cè)分析

試驗(yàn)用TC4鈦合金激光表層固溶處理采用光纖耦合半導(dǎo)體激光器（ＬＤＦ3000?100，ＶＧ3ＥTC4）。

激光表層固溶處理采用兩種工藝方案。激光固溶處理工藝（1）：激光功率1500Ｗ，移動(dòng)速度1000mm／mim，焦距150mm，光斑4mm×10mm。

激光固溶處理工藝（2）：激光功率1000Ｗ，移動(dòng)速度1000mm／mim，焦距150mm，光斑4mm×10mm。

1）激光表層固溶處理工藝與硬度的關(guān)系

試驗(yàn)用TC4鈦合金激光表層固溶處理與硬度的關(guān)系見表6，試驗(yàn)用TC4鈦合金激光表層固溶處理＋時(shí)效處理與硬度的關(guān)系見表7。

從表6的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)用TC4鈦合金激光表層固溶處理工藝（1）后的硬度為37.7HRC，激光表層固溶處理工藝（2）后的硬度為36.7HRC，均高于真空固溶處理硬度（36.5HRC）。

從表7的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（1）＋時(shí)效后的硬度在41.0HRC以上，在540℃時(shí)效后的硬度最高，為51.3HRC，比真空固溶處理＋時(shí)效的硬度39.7HRC高出11.6HRC。

從表7的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（2）＋時(shí)效后的硬度在38.3HRC以上，在500℃時(shí)效后的硬度最高，為44.4HRC，比真空固溶處理＋時(shí)效的硬度39.7HRC高出4.7HRC。

2）激光表層固溶處理工藝與硬化層組織的關(guān)系

試驗(yàn)用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（1）＋時(shí)效（008?5）后，距表面約0.3mm區(qū)間內(nèi)組織為α＋β基體上分布有少量等軸狀初生α晶粒；表層組織為細(xì)針狀馬氏體，外表面有重熔現(xiàn)象，過渡區(qū)組織為初生α＋β相，心部仍為退火態(tài)組織，如圖2所示。

試驗(yàn)用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（2）＋時(shí)效（009?5）后，距表面約0.2mm區(qū)間內(nèi)組織為α＋β基體上分布有少量等軸狀初生α晶粒；表層及過渡區(qū)組織為初生α＋β相，心部仍為退火態(tài)組織，如圖3所示。

3、討論及結(jié)論

1）硬度

試驗(yàn)用TC4鈦合金激光表層固溶處理工藝（1）后的硬度為37.7HRC，激光表層固溶處理工藝（2）后的硬度為36.7HRC，均高于真空固溶＋時(shí)效的硬度（36.5HRC）。

試驗(yàn)用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（1）＋時(shí)效后的硬度在41.0HRC以上，在540℃時(shí)效后的硬度最高，為51.3HRC，比真空固溶處理＋時(shí)效的硬度39.7HRC高出11.6HRC；試驗(yàn)用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（2）＋時(shí)效后的硬度在38.3HRC以上，在500℃時(shí)效后的硬度最高，為44.4HRC，比真空固溶處理＋時(shí)效的硬度39.7HRC高出4.7HRC。

2）硬化層組織與深度

TC4鈦合金一般在950℃固溶處理后組織呈等軸狀，而高于1020℃以后組織會(huì)呈片狀、針狀，更高溫度下會(huì)形成馬氏體。但鈦合金中馬氏體不像鋼鐵材料中的馬氏體那樣有很高的強(qiáng)度及硬度。本試驗(yàn)中激光固溶處理工藝（1）的實(shí)際表層加熱溫度超過了950℃，因此出現(xiàn)馬氏體形態(tài)，且強(qiáng)化層也相對(duì)較厚。TC4鈦合金激光固溶處理工藝（1）固溶強(qiáng)化層深度約為0.3mm，激光固溶處理工藝（2）固溶強(qiáng)化層深度約為0.2mm。

3）綜合評(píng)價(jià)

激光固溶處理工藝參數(shù)只是激光功率不同，雖然激光固溶處理工藝（1）的硬度比激光固溶處理工藝（2）的高，強(qiáng)化層厚，但激光固溶處理（1）的表面出現(xiàn)重熔的現(xiàn)象，表面硬度波動(dòng)較大。適當(dāng)?shù)募す夤倘芴幚砉に嚳梢蕴岣逿C4鈦合金的硬度，可提高TC4鈦合金軸承的耐磨性。

參考文獻(xiàn)

[1]馬亞芹，楊闖.鈦合金的表面強(qiáng)化技術(shù)[Ｊ].現(xiàn)代機(jī)械，2011（5）：68?69；77.

[2]段冰冰，王治國，蔡晉，等.鈦合金表面納米強(qiáng)化研究進(jìn)展［Ｊ].表面技術(shù)，2021，50（12）：202?216；245.

[3]田永生，陳傳忠，王德云，等.鈦合金的激光表面處理研究進(jìn)展［Ｊ]，金屬熱處理，2005（8）：29?34.

[4]趙永慶，辛社偉，陳永楠，等.新型合金材料-鈦合金[Ｍ].北京：中國鐵道出版社，2017.

[5]任頌贊，陳德華.金屬材料及工藝的金相分析［Ｍ].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2023.

相關(guān)鏈接