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钛板、钛合金管等钛合金的材料性质及表面处理技术解析

文字来源：深圳市恒溢钛业有限公司人气：463发布时间：2018-12-15【小中大】

1、钛的性质
1.1、钛及钛合金的物理性质
钛的原子序数是22，原子量为47.90，密度为4.5g/cm3，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/（m.K），抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。金属钛具有两种同素异晶体，在低于882.5℃时呈密排六方结构，称为α-钛，而在882.5℃以上时为高温稳定态为体心立方结构，通常称为β-钛[1]。钛合金具有强度、热强度高，低温性能好，耐蚀性好，化学活性大、导热弹性小等性能特点而被广泛用于各个领域，是20世纪50年代发展起来的重要的结构金属[2]。
1.2、钛的化学性质
钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时则在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧并形成硬度很高的硬化层；氢含量上升时，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20%～30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。钛对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，如不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；但对强还原性和无水强氧化性等介质不耐腐蚀，如氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等[2-3]。
2、钛及钛合金的组织分类
室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金，（α+β）合金和β合金。三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。后人在此基础上对其分类进行了完善，因此钛及钛合金分为五类：退火后基本组织是α相的称为α 型合金，退火后的基本组织是α相+β相，但以α相为主的称为近α型合金，退火后的基本组织是α相+β相称为（α+β）型合金，退火后的基本组织为β相，但有一定α相的称为近β型合金，退火后的基本组织全为β相，称为β型合金[4]。近α型及α+β型钛合金的组织，包括魏氏组织、网篮组织、混合组织及等轴组织，α型及β型钛合金的组织一般为单一的α晶粒、β晶粒，见图1[4]。
3、钛及钛合金的表面强化
钛及钛合金虽具有高的比强度、无磁性、良好的耐蚀性和良好的生物相容性等特点，但其耐磨性和导热性差，高温下容易氧化，因此为了提高钛及钛合金表面的硬度和耐磨性，需对其金属表面进行表面改性处理[5]。
3.1、渗氮
氮化钛硬度高、化学性能稳定、耐磨损、耐腐蚀性能优异。在钛合金表面形成一层氮化钛硬化层是强化钛及钛合金表面、提高耐蚀性的有效方法。钛及钛合金的渗氮工艺主要包括气体渗氮和等离子体渗氮。
3.1.1、气体渗氮
气体渗氮是通过将试样置于氮气或氮气-氢气气氛中进行加热处理，而在钛及钛合金表面形成TiN及Ti2N等硬质相，以提高其表面耐磨性。气体渗氮工艺简单易行，但却存在氮化速度慢、渗层脆、渗层薄等缺点[6]。
3.1.2、等离子体渗氮
等离子体渗氮是利用辉光放电来实现工艺的，在等离子体渗氮过程中，等离子状态的氮离子被电场加速后撞击工件，离子动能会转变为热能，使工件温度升高，同时还存在离子冲击时的溅蚀作用及扩散作用，可使氮向工件表面内部进行扩散，以达到氮化的目的[6]。
3.2、渗碳
3.2.1、火化放电渗碳
该工艺过程是在绝缘的油中进行的，电极与钛零件之间产生火花放电，由于油热分解会生成碳，同时因为放电而使钛表面局部升温后熔化、等离子化或气化，使碳进入工件表面形成渗碳层。经放电加工后的钛表面呈鱼鳞状，硬化层为TiC硬质相，厚度为5μm左右，其硬度可达HV22000MPa，是基材钛合金表面硬度的11倍[7]。

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