Микроструктурная реакция и поведение Ti при износе

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 21978 (2022) Цитировать эту статью

900 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Титановые сплавы известны своей превосходной коррозионной стойкостью; однако низкая твердость поверхности приводит к плохой износостойкости, что ограничивает его потенциальное применение. В этом исследовании используется новый двухэтапный процесс внедрения твердого никелевого покрытия, содержащего смесь наноразмерных частиц (Al2O3 и TiO2), в поверхность сплава Ti-6Al-4V с использованием электрической дуги, образующейся в процессе сварки в инертном вольфрамовом газе. Поверхность образца оценивали с помощью микротвердости по Виккерсу, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии и испытания на износ штифтом на пластине. Микроструктурный анализ показал, что пропитка поверхности титана наноматериалами Ni/(Al2O3 и TiO2) привела к образованию твердой мартенситной структуры на глубину около 2 мм под поверхностью. Наблюдаемые изменения обусловлены модификацией химического состава поверхности и присутствием никеля, что приводит к уменьшению размера зерен, упрочнению твердого раствора и дисперсионному упрочнению обработанного слоя наночастицами. Твердость обработанного слоя увеличилась более чем на 180% при внедрении в поверхность частиц Al2O3 размером 40 нм и TiO2 размером 30 нм. Аналогично, износостойкость обработанной поверхности улучшилась на 100%.

Использование титановых сплавов существенно расширилось с момента их первой разработки в начале 1950-х годов. Теперь он находит применение в нескольких экстремальных условиях работы, где требуются высокая прочность и производительность1. Механические свойства и устойчивость к коррозии желательны и имеют широкое применение в автомобильной, аэрокосмической и биомедицинской промышленности2. Значительное внимание также уделяется титановым сплавам в различных областях, включая военные гаджеты и гражданскую продукцию. Первым практичным титановым сплавом стал сплав Ti6Al4V, разработанный в 1950-х годах для аэрокосмической и военной промышленности. Спустя много лет после своего создания сплав Ti6Al4V по-прежнему остается наиболее успешным и часто используемым материалом в биомедицинских и аэрокосмических приложениях3.

Хотя сплав Ti6Al4V обладает многими желаемыми характеристиками механической прочности и коррозионной стойкости, основным ограничением является низкая твердость поверхности, что приводит к плохой износостойкости и высокому коэффициенту трения4. Эти ограничения не позволяют применять сплав Ti6Al4V в ситуациях, когда используются высокие контактные нагрузки4. За последние два десятилетия были исследованы многочисленные методы улучшения поверхностной твердости титановых сплавов, такие как ионная имплантация5, термическая обработка, физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD)6. Газовое азотирование продемонстрировало наиболее значительные перспективы повышения твердости поверхностного слоя за счет процесса высокотемпературной диффузии, обычно проводимого при температуре около 1000 °C7,8. Ограничивающим фактором в этом процессе является рост зерен, постоянно регистрируемый вследствие воздействия высоких температур9. Комбинированный газовый и CVD-процесс также продемонстрировал потенциал повышения твердости поверхности титана. Однако процесс является прерывистым, поскольку его приходится проводить в двух реакторах10. В другом исследовании Тобола и др.11 исследователи изучили двухэтапный процесс, в котором титановые компоненты полировались с усилием 130 Н, а затем подвергались процессу газового азотирования. При повышении поверхностной твердости Ti6Al4V механическая обработка привела к образованию множества дефектов в виде дислокаций и зернограничных отверстий. Были предприняты попытки использовать такие методы, как нанесение поверхностных покрытий; однако основным ограничением этого метода является низкая прочность сцепления между нанесенными покрытиями и титановым сплавом12.

Другие методы включают использование концентрированных источников энергии для упрочнения поверхности титанового сплава. Типичные источники энергии включают лазер13, плазму или электронный луч, обеспечивающие высокую плотность мощности, необходимую для обработки поверхности14. Хотя эти методы демонстрируют значительный потенциал для упрочнения поверхностей из титановых сплавов, необходимое оборудование стоит непомерно дорого. В другом исследовании поверхность поверхности Ti6Al4V была закалена с использованием электрической дуги, генерируемой во время сварки в инертном вольфрамовом газе, для плавления поверхностей в сочетании с газообразным азотом для создания слоя нитрида на поверхности сплава Ti6Al4V. Область, подвергшаяся термообработке, обычно покрывают азотом для создания слоя нитрида. Газ аргон также используется для предотвращения любых форм загрязнения. Твердость и износостойкость азотированных слоев зависели от плотности и количества используемого газообразного азота. Улучшение поверхностных свойств материала путем модификации поверхности стало важным требованием перед любым практическим трибологическим применением15. Сплав Ti6Al4V требует соответствующей обработки поверхности для улучшения его характеристик по снижению трения, твердости, устойчивости к износу и химической стабильности8,10. Обработка поверхности гарантирует, что сплав Ti6Al4V сохраняет желаемые объемные свойства, расширяя при этом его применение в различных областях. Модификация поверхности также является хорошим фактором, включающим в себя производительность инженерного компонента и его стоимость. На основе их химических свойств были разработаны различные технологии модификации поверхности сплава Ti6Al4V. Эти методы показали различные уровни успеха и дополнительные ограничения, связанные со стоимостью используемого оборудования и временем, затраченным на достижение изменений поверхности и повышение износостойкости4,5.