TiAl基合金的表面渗碳处理方法
第２９卷第５期２００８年１０月
热处理技术与装备
ＲＥＣＨＵＬＩ
Ｖ０１．２９．Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．，２００８
ＪｉＳＨＵＹＵＺＨＵＡＮＧＢＥＩ
・工
艺・
ＴｉＡｉ基合金的表面渗碳处理方法
徐
强１，汤新燕１，蒲
阳２
（１．江苏省有色金属华东地质勘查局八０五队江苏南京２１０００７；
２．中国科学院南京地理与湖泊研究所江苏南京２１０００８）
摘要：表面渗碳处理是提高ＴｉＡｌ基合金抗氧化性与抗高温的重要手段。主要方法有：固体渗碳、气体渗碳、等离子渗碳、碳元素激光渗碳等多种方法。本文着重分析和讨论了对渗碳处理方法，并对’ｒｉＡｌ基合金表面处理方法的发展方向进行了展望。关键词：渗碳；ＴｉＡｌ基合金；表面处理
中图分类号：ＴＧｌ５６．８＋ｌ
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７３—４９７１（２００８）０５—００５４—０３
ＴｈｅＳｕｒｆａｃｅＣａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ
ｘｕ
ＴｒｅａｔｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄｓ
ｏｆＴｉＡＩＢａｓｅｄＡｌｌｏｙｓ
Ｑｉａｎ９１，ＴＡＮＧ
Ｘｉｎ－ｙａｎｌ，ＰＵＹａｎ９２
（１．ＥａｓｔｅｒｎＣｈｉｎａＭｉｎｅｒａｌＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ＆ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＢｕｒｅａｕｆｏｒＮｏｎ—ｆｅｒｒｏｕｓ
ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄＬｉｎｍｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆ
Ｍｅｔａｌｓ，ＮａｎｊｉｌｌｇＪｉａｎｇｓｕ
２１０００７，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｎａｎｊｉｎｇ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＮａｎｊｉｎｇＪｉａｎｇｓｕ２１０００８，Ｃｈｉｎａ）
ａｌｌ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｆｏｒ
Ｔｉｍ
ｂａｓｅｄａｌｌｏｙｓｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｏｔｅｃｔｔｈｅ
Ｔｉ灿ｂａｓｅｄ
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ａｌｌｏｙ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ，
ｓｕｃｈａｓｓｏｌｉｄｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｇａｓｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｐｌａｓｍａｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｌａｇｅｒｓｕｒｆａｃｅｍｅｌｔｉｎｇ，ｗｅｒｅｓｕｍ－ｍａｒｉｚｅｄ
ａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｏｓｐｅｃｔｓ
ｗｅｒｅｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ＴｉＡｌｂａｓｅｄａｌｌｏｙｓ；ｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ
上世纪５０年代，人们开始对Ｔｉｍ基合金的性能进行分析测试，发现了这种材料具有优良的耐高温性能…。此后对于钛铝基合金性能的研究，证实了它作为高温结构材料的巨大潜力。Ｔ认ｌ基合金具有高的比强度，比弹性模量，良好的抗氧化、抗蠕变能力及优良的高温强度、刚度及低密度的特征。如今，ＴｉＡＩ基合金已进入到实用化研究阶段，被看作为未来最有前途的航空航天用轻型高温结构材料之一，也是其它零件的理想材料。
然而，由于ＴｉＡＩ合金某些性能方面的缺陷：如室
８００—８５０℃以上的抗氧化性不足，导致人们对’ｒｉｍ基合金的应用研究一度中断。目前主要有两个研究方向来解决这些难题：一是设计新的合金。通过添
加Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、ｓｉ等元素，可在一定程度上提高’１１ｍ
基合金的抗氧化性。但是，要想取得理想的结果，必须添加大量的合金元素，这必将导致合金其它性能的下降。因而，在现有合金元素的基础上进行设计似乎是不可行的。另一个是对现有合金进行表面处理。目前来看，后者是一种较为可行的办法，而Ｔｉｍ基合金的表面渗碳又是应用最早、最广泛的一种工
艺。本文主要归纳了７ＩＩ灿基合金的表面渗碳处理方法的研究进展。
温延性低及伴随而来的成型性差；拉伸强度与断裂／蠕变抗力成反比关系，从而性能不平衡；对许多用到１０００℃的涡轮发动机来说，高温强度相对较低；
收稿日期：２００８—０３—０５
作者简介：徐强（１９６６一），男，学士，主要从事矿山开发和金属冶炼与热处理工作
联系电话．０２５—８４５９３１９１；Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｑｉａｎ９１９６６＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ
基金项目：福建省尤溪县梅仙丁家山矿床深部及其外围铅锌矿普查项目
万方数据
第５期
徐强等：７ｒｉ灿基合金的表面渗碳处理方法
ｌ固体渗碳
固体渗碳是一种非常稳定的渗碳过程。在适当的温度（１１９３
Ｋ、１２３３
Ｋ或１２７３Ｋ）对Ｔｉｍ基合金进
行表面渗碳，可得到一层均匀的渗碳层【２】。渗碳层
呈多层结构，由外至里的组成为ＴＩＣ／（ＴｉＡｌ３）Ｃｌ，一／碳化物／（Ｔｉ３Ａ１）Ｃ１ｌ一，／碳化物／基体。固体渗碳的实质是固态碳通过反应气化，然后含碳活性气体在合金表面进行反应，一般通用渗碳剂的反应过程如下：
Ｃ＋０２－＋Ｃ０２（１）Ｃ０２＋Ｃ－－－．２ＣＯ
（２）２ＣＯ＋Ｍ＿＋Ｍ［Ｃ］＋Ｃ０２
（３）
从以上反应过程可以看出，在固体渗碳的过程中合金表面同时有活性碳和氧元素存在。Ｔｉ是一种化学活性很高的元素，极易与碳氧元素结合。而且Ｔｉ更容易与氧结合。因此Ｔｉ灿基合金表面同时存在有活性碳和氧元素的情况下，Ｔｉ将与这两种元素形成化合物。而合金表面Ｔｉ－Ｃ与Ｔｉ—Ｏ化合物两相
的比例相差不大，一旦化合物形成以后。碳和氧就需
要通过表面化合物向金属内部扩散。由于氧的原子
半径比碳小，因此氧扩散要比碳的扩散要快，而且Ｔｉ更容易与氧形成化合物。因此，在渗层表层以下Ｔｉ—Ｏ化合物所占的比例越来越大，导致渗层各相分布随深度增加而发生变化。
黄伯云等【３１在国内率先利用固体渗碳法在合金表面形成碳化物层以提高其抗高温氧化性。贺跃辉
等Ｈ１对＾ｙ—ＴｉＡＩ基合金实施固体渗碳处理。结果表
明，渗碳处理能改善合金的抗氧化性能。其原因是
１一ＴｉＡＩ基合金经９００℃×６ｈ渗碳处理后，其表面形
成一层由Ａ１２Ｔｉ４Ｃ和Ａｌ。Ｃ相组成的渗碳层，致密且与基体结合牢固。渗碳层能够阻止氧与基体接触，从而提高合金的高温抗氧化性。２气体渗碳
气体渗碳的载气气氛大致含有（体积分数）约
４０％Ｈ２、４０％Ｎ２和２０％的ＣＯ，此外含少量Ｃ０２（至
１．５％）、水蒸气（至ｌ％）、ＣＨ。（至０．５％）及微量Ｏ：Ｋ１。渗碳过程中要求加入富化气的碳氢化合物。在描述气体渗碳中反应过程的１８０个化学反应式
中，最重要的是水．煤气反应：
ＣＯ＋Ｈ２０＝Ｃ０２＋Ｈ２
（１）
对含ＣＯ和Ｈ：的气氛，碳的传递最主要靠ＣＯ的吸附（ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）和氧的脱附（ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）反应：
（ＣＯ）－－－，ＣＯｌｄ＿［Ｃ］＋Ｏｄ
（２）
万
方数据Ｏｌｄ＋Ｈ２—’Ｈ２０
（３）
由这两式可得水一煤气反应的另一种形式：ＣＯ＋Ｈ：＝［Ｃ］＋Ｈ２０（４）因为反应过程中涉及到氧，会造成Ｔｉ灿合金的内氧化问题。为了消除气体渗碳工件的内氧化弊病可采用低压渗碳，将压力控制在２６６６．４４Ｐａ以下。真空渗碳的控制在于时间，碳的传递取决于温度、炉
气压力、炉气流速。现在减压渗碳设备制造厂生产
的控制软件一般都建立在大量测试数据的处理上。
３等离子渗碳
等离子渗碳的基本原理是在稀释性气体气氛中，利用辉光放电的方法渗碳。该方法具有诸多优点：（１）利用直流辉光放电，在真空渗碳性气体气氛中，通过将活性碳供给工件表面，可进行渗碳。该工艺不但可以采用各种渗碳性气体在低压力下实施渗碳，而且与气体渗碳相比，由于在高温下操作，故可缩短渗碳时间；（２）由于利用了真空与等离子体，从而可实现渗碳层的高质量；（３）可应用于难渗碳材料
的处理。
Ｎａｄｏ等Ｍ１的研究表明，’ｒｉｍ基合金等离子渗碳
ｌ
ｈ，可得到３岬厚的Ｔｉ２Ａ１Ｃ化合物层，其硬度超过
ＨＶ
８３６。销盘式磨损实验显示，经渗碳后，，／－ＴｉＡＩ基
合金的耐磨性得到大幅度提高（如图１所示）。经过
图１
Ｔ＇ｔＡＩ基合金环销磨擦对比实验
晦１
Ｔｈｅ
ｅｏｍｐ幽ｔｌｅ聊ｒｉｍｃｎｔａ
ｏｆｔｈｅｗｅｉｇｈｔｌｏｓｓｏｆ
ＴｉＡＩｐｉｎｓａｎｄ
ｂｅａｒｉｎｇ删ｄｉｓｋ
渗碳的试样的重量损失只有未经渗碳试样的１／１７２。然而，与渗碳试样对磨的盘失重较大，这可能与渗碳
后试样的粗糙度加大有关。１—７ｎ灿基合金等离子渗
碳对于Ｔｉ灿基合金室温抗拉伸和抗疲劳性能的影响
・５６・
热处理技术与装备
第２９卷
很小，几乎可以忽略。但这种处理方式成本较高。有关等离子渗碳后高温抗氧化性能还没有看到相关的报道。然而，从理论分析的角度上讲，无论是在等离子渗碳后形成之渗层的致密度，还是渗层与基体的结合上，都要优于固体渗碳。因此，等离子渗碳后其抗氧化性能较固体渗碳好。最新的研究ｏ¨发现，等离子渗碳与等离子合金化结合起来将会得到更好的效果，人们将其称作等离子渗碳的双重处理，其结果更加提高了Ｔｉｍ基合金的耐磨性（如图２所示）。
样品质量幢
图２
未处理、等离子渗碳处理、等离子渗碳双重处理的’ｎＡｌ合金的耐磨性对比
Ｆｉｇ．２
ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ０ｆｕｎｔｒｅａｔｅｄ．ｐｌａｓｍａ—ｃａｒｂｕｒｉｚｅｄａｎｄｄｕｐｌｅｘ—ｔｒｅａｔｅｄＴｉＡｉａｌｌｏｙ
４激光表面渗碳
激光表面渗碳作为一种无接触、无污染、高效、灵活的先进表面改性技术，已被广泛应用于提高７ｒｉ灿基合金的耐磨、耐蚀性能。何秀丽等哺１利用碳元素激光表面合金化技术对ＴｉＡＩ金属间化合物进行
表面改性，在表面成功地制得以ＴｉＣ为增强相的复
合材料改性层，由于ＴｉＣ等陶瓷化合物具有很高的硬度和耐磨性，这种“原位”形成的硬质增强相能被
基体牢固地镶嵌住而在摩擦磨损过程中不易脱落，
因而这种表面改性层具有优异的耐磨性能。激光表面合金化过程中，涂覆在表面的碳粉一方面使试样表面黑化，增加了试样对激光束的吸收率；另一方面，碳粉中的碳原子溶解进入表面熔池，与高温合金液发生合金化作用。从而制得了以硬质ＴｉＣ为增强相的快速凝固“原位”耐磨复合材料表面改性层。激光表面改性层显微组织与硬度具有较明显的梯度渐
变特征（如图３所示）。
万
方数据栅
鲫
ｔ
姗■
●
Ｉ
●
●
≯罨魁隧
枷
３００｝２００
０
４０
８０１２０
１６０
２００
距底层的距离／ｔｔｍ・
图３
Ｔｉｍ合金激光渗碳表面硬度分布图
Ｆｉｇ．３ＴｈｅｂａＩｄｎｅ８８ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｓｅｒ
ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇｏｆｔｈｅＴｉＡ！ａｌｌｏｙ
’ｎＡｌ基合金已迈向实用化研究阶段，但在高温参
考
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５结语
条件下的抗氧化能力还需进一步提高。表面渗碳处理以其方法简单、处理效果优良而广泛用于ＴｉＡＩ基合金的生产应用方面。从目前表面渗碳处理研究结果来看，均致力于单一某方面的研究，如耐磨性、抗
氧化性能等而缺乏综合的研究工作。因此，要加强表面渗碳处理后综合性能方面的研究，以促进其实用化。
TiAl基合金的表面渗碳处理方法
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
徐强， 汤新燕， 蒲阳， XU Qiang， TANG Xin-yan， PU Yang
徐强,汤新燕,XU Qiang,TANG Xin-yan(江苏省有色金属华东地质勘查局八○五队,江苏,南京,210007)， 蒲阳,PU Yang(中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏,南京,210008)热处理技术与装备
HEAT TREATMENT TECHNOLOGY AND EQUIPMENT2008,29(5)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gwjsrcl200805015.aspx