TA31 钛合金是一种名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo 的近α 型钛合金，除具备钛合金传统的高比强度外，该牌号钛合金还具备突出的耐海水、海洋大气腐蚀性能[1]。因此TA31 钛合金发展成为海洋工程装备中常用的一种钛合金。但在实际应用过程中，TA31 钛合金遇到与其他牌号钛合金相同的挑战。因TA31 钛合金硬度较低导致表面耐磨性较差，产品实际使用寿命较低。随着全球航空航天和航海事业的快速发展，以及金属加工制造领域的技术迭代，提高钛合金表面硬度可以通过表面处理的工艺实现，钛合金表面处理方式发展至今，主要包括表面渗氮、表面渗碳、阳极氧化、微弧氧化等技术[2-4]。
渗碳处理是钛合金工件常用的一种表面处理方式，根据具体渗碳工艺的不同可细分为固体渗碳、气体渗碳、离子渗碳法，其目的均是通过表面渗碳的方式提高钛合金表面硬度，从而提高钛合金工件整体的耐磨性[5-8]。Ji 等[9]将Ti6Al4V 合金样品放入专用设备中进行氧碳共渗，发现渗层表面硬度比基体硬度提高了3.8 倍，且渗层硬度呈梯度变化。张赫[10]将TA1、TC4 和TC21 3 种合金进行固体渗碳处理，其表面硬度与原始合金硬度相比分别提升了350.99%、163.67%、175.39%。但是目前针对TA31 钛合金耐磨性差的问题进行表面处理的研究较少，为改善海洋工程装备中常用的TA31 钛合金的表面耐磨性，本文在其他牌号钛合金渗碳处理的基础上进行，研究TA31 钛合金的渗碳处理。对比渗碳处理前后TA31 钛合金显微组织、显微硬度、室温拉伸性能及冲击性能，研究渗碳处理过程对TA31钛合金显微组织及力学性能的影响。
1 实验材料与方法
实验选用西安超晶科技股份有限公司生产的TA31 钛合金锻造棒材作为材料，棒材通过七火次自由锻造制备完成。选取制作两件同等状态的ϕ200 mm×30 mm 的试样块，标记为1# 和2#，其中1# 试样为对比试样，不进行任何处理，对2# 试样进行固体渗碳处理。2#试样的渗碳处理采用上海麦克林生化科技有限公司生产的50 目石墨粉、99.99%的碳酸钡作为原材料，按9∶1 的质量比配制成专用渗碳剂。2#试样块与渗碳剂放置真空热处理炉中，执行900 ℃保温420 min 后随炉冷却的工艺进行渗碳处理。
渗碳处理完成后对1#及2#试样块按同样的取样方式进行取样，取样位置及试样规格如图1所示。其中显微硬度、显微组织及X 射线衍射试样按图1所示在试样块表面取样，试样表面均有渗碳层，用以表征试样表面特性。但室温拉伸及冲击试样按图1 在相应位置截面中心厚度处取样，所取试样为ϕ200 mm×30 mm 试样块的内部试样，因渗碳深度有限，所以室温拉伸及冲击试样两类力学试样的表面无渗碳层。在截面中心厚度处取样是为了使力学性能测试更具代表性，反映材料基体本身的力学性能，研究长时间高温处理对TA31 钛合金基体材料的力学性能有无明显影响。
图1 取样示意图
Fig.1 Schematic diagram of sampling
取样后分别通过ICX41M 型金相显微镜、FHVW-1Z 显微维氏硬度仪、UTM5105SYXL 万能拉伸试验机、JBS-300 型冲击试验机、X'Pert PRO 型X射线衍射仪等设备对相应试样进行检测，对比渗碳前后TA31 钛合金显微组织及力学性能的差异。
2 实验结果及讨论
2.1 显微组织
为研究持续高温渗碳后TA31 钛合金基材的显微组织变化，对两种试样的显微组织进行对比，图2是渗碳处理前后TA31 钛合金基材的显微组织照片。对比图2a 和b 可以看出，渗碳前后TA31 钛合金的显微组织均为双态组织，组织类型未发生变化。但渗碳后TA31 钛合金的次生α 相发生粗化，由渗碳前的40 μm 粗化到60 μm 左右。这是由于渗碳过程有超过持续420 min 以上的高温过程，次生α 相在高温能量驱动下逐渐长大，导致渗碳后TA31 钛合金的次生α 相发生粗化。
图2 TA31 钛合金试块1/2 厚度处的显微组织：(a)渗碳前；(b)渗碳后
Fig.2 Microstructure at the 1/2 thickness position of the TA31 titanium alloy test block:(a)before carburizing;(b)after carburizing
2.2 显微硬度
鉴于渗碳处理是通过提高材料表面硬度进而提高材料耐磨性这一特性，对渗碳前后TA31 钛合金试样表面硬度进行测试。对未进行渗碳处理的1#试样及渗碳处理的2# 试样按图1 所取的显微硬度试样进行表面显微硬度测试，首先分别在2 个试样表面任选3 点测试表面硬度，以对比表征渗碳处理对TA31 钛合金表面硬度的提高程度，测试数据如表1 及图3 所示。
表1 渗碳处理前后TA31 钛合金表面硬度
Tab.1 Surface hardness of the TA31 titanium alloy before and after carburizing
Hardness(HV)Before carburizingAfter carburizing Surface hardness 307.0945.0 313.0938.0 312.0936.0 Average310.4939.7
图3 渗碳处理前后TA31 钛合金表面硬度对比图
Fig.3 Comparison of the surface hardness of the TA31 titanium alloy before and after carburizing treatment
由表1 可以看出，渗碳处理后TA31 钛合金表面硬度平均值可达939.7 HV，比原钛合金基体表面的平均硬度310.4 HV 提升了203%，渗碳处理后TA31 钛合金的表面硬度得到显著强化。图3 是渗碳处理前后TA31 钛合金表面硬度对比，可以看到2 种试样的硬度数据分布集中，表明两种状态材料的硬度均匀性良好，且渗碳处理对TA31 钛合金表面硬度提升明显。
为探究TA31 钛合金渗碳后表面的物相组成，对渗碳试样块表面取样进行XRD 分析，如图4 所示。从XRD 测试结果可以看出，试样表面除了α-Ti的衍射峰外，出现了TiC 的衍射峰，证明在渗碳处理后TA31 钛合金表面有TiC 相生成。TiC 相的硬度比钛合金材料的硬度高，所以TiC 相的生成会使材料表面硬度有较为明显的提高。其他牌号钛合金渗碳处理的相关研究也对渗碳后碳原子进入钛合金基体后形成的物相进行研究，一致认为是碳原子与钛基体形成新的TiC 相进而提高钛合金的表面硬度，同时碳原子进入钛基体会对钛合金的位错运动起“钉扎”作用，这2 种作用共同导致TA31 钛合金的表面硬度提高，同时其表面耐磨性有明显提升[11-15]。
图4 渗碳处理后表面XRD 谱
Fig.4 XRD patterns of the surface after carburizing
为进一步研究本次渗碳层的有效深度，对渗碳后试样的渗碳截面进行梯度显微硬度测试，沿渗碳截面测试距离端面10、30、50、70、100 μm 处的显微硬度。图5为梯度显微硬度测试结果，可以看出在距表面100 μm 时的显微硬度达到362 HV，相比表1中未渗碳1#试样最高表面硬度313 HV 高49 HV，因此可以得出本次渗碳处理的有效深度超过100 μm[16-18]。
图5 渗碳处理后截面显微硬度梯度曲线
Fig.5 Gradient curve of the microhardness of the section after carburizing
2.3 力学性能变化研究
对渗碳处理前后的TA31 钛合金材料按图1 取样进行弦向室温拉伸及弦向冲击性能对比测试，表2 是具体测试结果。从表2 可以看出，渗碳处理前TA31钛合金的抗拉强度及屈服强度为858、773 MPa，渗碳处理后的抗拉强度及屈服强度为839、763 MPa，渗碳后TA31 钛合金的强度出现小幅降低。渗碳后TA31 钛合金的断后伸长率出现0.5%的较小幅度增高，断面收缩率从未渗碳的38%提高到渗碳后的48%，表明渗碳后TA31 钛合金的塑性有较为明显的提高。同时渗碳后TA31 钛合金的冲击吸收功由111 J 下降到95.4 J，表明材料的缺口敏感性降低。
表2 渗碳处理前后TA31钛合金拉伸及冲击性能
Tab.2 Tensile and impact properties of the TA31 titanium alloy before and after carburizing treatment
TreatmentRm/MPa Rp0.2/MPa A/%Z/%KV2/J Before carburizing85877316.538111.0 After carburizing83976317.04895.4
渗碳后TA31 钛合金的强度降低、塑性提高、缺口敏感性降低，这些力学性能的变化规律结合渗碳后TA31 钛合金次生α 相粗化情况分析其变化原因为由于渗碳后TA31 钛合金的次生α 相生长变大，基体内晶界减少，对室温下塑性变形的晶粒滑移阻碍作用减弱，导致TA31 钛合金的力学性能会出现强度降低、塑性提高、缺口敏感性降低的变化[19-21]。因此在实际工程应用中要结合工况性能要求，适当调整渗碳处理工艺参数，可以在强度性能较少降低、塑性略微提高的基础上有效提高TA31 钛合金的表面硬度，进而提高其耐磨性。
3 结论
(1)固体渗碳处理后TA31 钛合金的显微组织会发生次生α 相粗化，该变化导致渗碳后TA31 钛合金强度略微降低、塑性提高、缺口敏感性降低。
(2)通过固体渗碳处理后TA31 钛合金表面最高硬度达到945 HV，较基体硬度提升约203%，有效硬化层超过100 μm。渗碳处理可有效提高TA31钛合金的表面硬度，改善其耐磨性。
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