TC21钛合金稀土渗硼强化表面组织及性能

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1、航空学报May252015V01．36No．51713．1721ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．caDOI：10．7527／$1000—6893．2014．0206TC21钛合金稀土渗硼强化表面组织及性能蔡文俊1，卢文壮1’2一，王晗1，朱延松1，左敦稳，1．南京航空航天大学机电学院，南京2100162．江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京210016摘要：采用

2、单体硼为供硼剂对TC21钛合金表面进行稀土催化表面强化热处理，对渗硼层组织形貌、硬度、磨痕形貌和磨损率进行了研究。结果表明单体硼渗剂中CeO：配比为7wt％左右的渗硼层连续致密，耐磨性较好；温度对于表层TiB2的厚度影响较大，提高温度可显著增大渗硼层厚度，随着保温时间的延长，表层TiB。层逐渐增厚并且更为连续，时间超过一定值后渗硼层厚度增加缓慢；渗硼层表层硬度随渗硼温度提高显著增大，随保温时间延长增加缓慢，渗硼温度在1000℃时渗硼层近表层硬度可达3200HV。。。左右，高硬度区域厚度可达20弘m以上；TC21钛合金渗硼层

3、表现出了良好的摩擦磨损性能，渗硼试样的比磨损率比未渗硼试样低50～60倍。关键词：固体渗硼；TC21钛合金；稀土；显微组织；摩擦磨损；显微硬度中图分类号：V261．93；TGl35+．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)05—1713—09TC21钛合金是中国自行研制的具有自主知识产权的一种新型损伤容限型a+8型钛合金[1]，其具有高强度、高韧性、高损伤容限(较低的疲劳裂纹扩展速率与较高的疲劳裂纹扩展门槛值)[2]和优异的抗疲劳性等综合性能，与美国F22战机上大量使用的Ti一62222钛合金性能相当[3

4、]。目前，钛合金在飞机上主要是作为结构件和紧固件，但是钛合金具有硬度低、耐磨性差等缺点[4]，严重限制了钛合金作为轴、齿轮等航空耐磨零件的应用。因此提高钛合金表面硬度，改善表面耐磨性、抗粘着性等性能是钛合金在航空工业应用中急需解决的问题。固体粉末法渗硼具有工艺设备简单、成本低、可控度高等优势，是一种理想的钛合金表面强化方法口]。研究表明[6。8]在渗剂中加入稀土元素Ce可以提高钛合金渗硼层表面的均匀性，促进B原子向钛基体深处扩散，使渗硼层中更多的TiB转变为TiB。。针对TC21钛合金，以单体硼为供硼剂，以Ce0。为催渗剂

5、，对其表面进行固体粉末渗硼强化处理，研究渗剂中不同CeOz配比的TC21渗硼后渗硼层的组织和耐磨性能；测量不同渗硼工艺参数下TC21钛合金渗硼层的厚度及显微硬度，研究渗硼温度和保温时间对TC21渗硼层组织、硬度以及摩擦磨损性能的影响，对TC21钛合金在航空航天领域的应用具有重要意义。1实验材料及方法实验所采用的材料为锻造后的TC21钛合金，经电火花切割为10mm×10miD_×5miD_的方形小块。采用单体硼(粒度<10Fm，纯度为收藕日期：2014—05—23；退修日期：2014-06—12；录用日期：2014-08—2

6、5；网络出版时间：2014-09-1114：01网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000—6893．2014．0206．htmI基金项目：国家自然科学基金(51275230)；江苏省博士后科研资助计划(1301028B)；南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(kfjj20130216)*通讯作者Tel．：025-84891686E-mail：meewzlu@nuaa．edu．cn引用格式lCaiWJ，LuWZ，WangH，etaLMicrostructurean

7、dpropertyofsurfacelayerproduceduringrareearthssolid-stateboridingofTC21titaniumalloyEJ叮．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015．36(5)：1713—1721．蔡文俊．卢文壮．王咯，等．TC21钛台金稀土渗硼强亿表面组织及性能[以．航空学擐，2015，36(5)：1713．1721．航空学报May252015V01．36No．596％)为供硼剂，采用Ce0。(粒度<35"m，纯度为99％)为催渗

8、剂，两者按一定质量分数配比制备渗剂。在渗硼前对试样表面喷砂去除氧化层，用600目、800目和1200目的SiC砂纸进行打磨，将试样经丙酮清洗后与制备的渗剂放入刚玉坩埚内压实，采用高温胶密封并烘干。将刚玉坩埚放入厢式电阻炉内，在一定温度下保温一定时间，空冷后将试样取出，同时将渗剂回收重复利用。采用金相显微