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表面织构-等离子表面渗铬复合处理改善TC4 合金的摩擦学性能

钛合金，表面织构，等离子合金化，复合处理

Ti6Al4V(TC4合金)合金具有优异的耐热性、强度、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性，是迄今为止使用时间最长、涉及领域最广泛、生产数量最多的钛合金，被誉为“王牌合金”。但是，表面硬度低和耐磨性能差限制了其在结构材料中的广泛应用。为提高TC4合金的表面硬度和耐磨性，对其进行了激光表面织构化、等离子表面渗铬和两种工艺的复合处理。

采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)分析了TC4合金表面渗铬层的表面形貌/成分、截面形貌/成分、相结构和微观组织。借助显微硬度计分别测量了TC4合金及其渗铬层的表面硬度，采用纳米压痕测试测定了渗铬层的力学性能。通过室温和600 ℃温度下的滑动摩擦磨损试验，研究了表面织构-等离子表面渗铬复合处理对TC4合金耐磨性的影响。结果表明：

1. 利用激光加工可在TC4合金表面制备均匀分布的圆形凹坑表面织构；等离子表面渗铬处理后，TC4合金获得了连续、致密的渗铬层，渗铬层主要由固溶体和金属间化合物(Cr，Ti，CrTi，Cr₂Ti )相构成。等离子合金化渗铬处理产生固溶强化的效果，显著提高了TC4合金的表面硬度和弹性模量。


2. 室温和600 ℃温度下，激光表面织构化、等离子表面渗铬和复合处理均会影响TC4合金的摩擦学行为。室温下复合处理试样的失重和比磨损率分别是1.54 mg和0.714×10^-3 mm³/N·m^-1，基体的失重和比磨损率分别为4.32 mg和1.624×10^-3 mm³/N·m^-1，表面织构-等离子表面渗铬复合处理显著提高了TC4合金的耐磨性。织构化TC4合金和渗铬TC4合金耐磨性均比基体好，而等离子合金化渗铬对TC4合金室温耐磨性的改善效果没有激光表面织构化处理效果好。织构处理主要起到了捕捉磨屑的物理效果，降低了三体磨损。制备较厚的铬合金层阻隔了硬质摩擦副与基体表面的直接接触，另外由于渗铬层的高硬度、高强度，提高了基体抵抗变形的能力。表面织构-等离子体渗铬复合处理能显著提高基体的室温耐磨性。


3. 在600 ℃摩擦试验中，经表面复合处理的TC4合金摩擦系数最低，质量损失最低，为0.33 mg，比磨损率为1.840×10^-4 mm³ /N·m^-1，比室温降低了一个数量级。复合处理后的试样表现出轻微的氧化磨损、粘着磨损表面划痕以及变形明显减少，渗铬层具有优异的抗氧化性。最后对4个试样的耐磨性进行对比排序，得到TC4合金 < TC4合金-LST < TC4合金-Cr < TC4合金-LST+Cr的结果。


4. 织构-渗铬复合表面处理在TC4合金基体上制备的梯度结构涂层有效解决界面结合的问题，消除了热膨胀系数不匹配和附着力弱的问题，在不改变基体性能的前提下，能有效提高TC4合金表面的耐磨性和抗氧化性能。