钛合金离子注入技术与其表面处理中的应用

钛合金离子注入是用高能离子轰击来改变表面性能的一种新工艺，它好像子弹射中物体一样，即可使被射物体表面得到净化，又可改变物体表面层的成分和结构，从而增加表面的硬度，提高物体的耐磨损和耐腐蚀的能力。与物理或化学气相沉积相比,主要优点在:①膜与基体结合好,抗机械、化学作用不剥落能力强;②注入过程不要求升高基体温度,从而可保持工件几何精度;③工艺重复性好等。许多研究者报道了氮离子注入对Ti6Al4V钛合金表面成分、组织结构、硬度及摩擦学性能有良好改善效果。TiC也是超硬相,故钛合金经离子注入碳也同样可以强化钛合金表面。但是由于等离子体基离子注入并非连续过程,施加每一负脉冲电位时,随着脉冲电位由零下降至谷值,再回升至零,发生着溅射和注入两个过程。如果等离子体中含有金属或碳离子时,在脉冲电位为零时,在一定条件下还会在表面形成单一碳沉积层,在一定脉冲电压(10~30kV)作用下,该单一碳层的结构为类金刚石碳(DLC)。从而可以获得比注氮层摩擦系数更低,耐磨性更好的表面改性层。表面单一碳层经实验确定其为DLC膜。经这样处理的钛合金,表面硬度提高4倍,在同种材料构成摩擦副,干摩擦条件下,摩擦系数由0·4下降至0·1,耐磨性较未离子注入的提高30倍以上.

实现金属离子注入工艺的设备一般由三部分组成:金属离子源和高能加速器(使注入离子获得高速能量)及一个真空室.随着注入技术的发展，人们对改善钛合金性能和降低钛合金成本的工艺越来越感兴趣.宇航、生物医学、旅游客车零件及切削工具等都可用离子注入技术来改变性能.在提高切削工具的耐磨损方面效果十分显著，在切削速度提高58%的情况下，离子注入比未注入工具在低速下的寿命提高60%以上.一般注入氮、碳或者金属离子错.如果增加注入深度，该技术就完全代替等离子喷涂铝涂层.注入技术改善了钛的耐磨性能，使钛用于燃料喷注器和活塞环上成为可能.另外，注入金属铝，可以明显地改善钛的耐蚀性，注入钥的钛其在HZSO;中的耐蚀性增加了巧00倍.锌的注入，可以彻底改善Ti一6AI一4V的耐蚀性能。

通常的PVD(物理气相沉积)制得的TIN、CrN涂层，由于基体温度要超过400℃，而这一温度下在钛表面形成的锐钛型或金红石型结构的氧化物层都有很高的硬度，且很难去除，因此，要做到涂层与基体间极好的结合是比较困难的。为了解决这一问题，出现了一种HyPeinn涂层工艺，该工艺的突出特点是在注入前，基体表面用高能离子轰击，去除原基体如:6061铝合金、Ti一6Al-4V、440C不锈钢的固有的氧化物膜，使涂层与新鲜的基体表面结合，其结合力是通常工业离子镀的两倍，残余应力相当低。TIB:用这种技术处理其残余应力可减少3个因子。该技术对基材的力学性能无明显损伤.还可降低沉积温度。

近来又发展了一种金属离子加速沉积工艺，该工艺更易控制，而且得到的离子能量更高，缺点是需要两个独立的材料源(金属源和离子源)。离子束增强沉积(IBED):利用离子束增强沉积(IBED)方法制备了CrC硬质膜,可用于钛合金的微动磨损防护。研究表明,CrC显示出最好的微动疲劳特性;而喷丸后涂覆的CrC膜则显示出了最高的微动磨损抗力。离子轰击:TC11钛合金经氮离子轰击表面处理后,表面可获得由TiN和Ti2N组成的改性层,硬度为600~800HV;表面硬度的提高,有利于改善TC11钛合金的耐磨性。等离子渗氮与喷丸处理:利用直流脉冲等离子电源装置对Ti6Al4V钛合金表面渗氮处理,采用喷丸形变强化(SP)对渗氮层进行后处理,在钛合金表面获得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相组成的渗氮层,该改性层能够显著地提高钛合金常规磨损和微动磨损(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力。渗氮层的减摩和抗磨性能与SP引入的表面残余压应力协同作用,使钛合金FF抗力超过了SP单独作用。提高渗氮层韧度对改善钛合金FF和FW性能均十分重要。DLC膜:复合碳膜具有独特的物理、力学和化学性能,它已被作为众多的研究对象。利用射频等离子体增强化学气相沉积法制备类金刚石薄膜,其主要目的也是为提高钛合金的表面硬度和耐摩擦性。试验结果表明膜中钛含量超过9%,膜的硬度将会下降,且膜基结合力强度也是有限的。