Ti-6Al-4V合金渗硼层的组织研究 毕业论文.doc

郑州大学毕业设计（论文）题 目：ti-6al-4v合金渗硼层的组织研究 the research of ti-6al-4v alloy boronization layer of the organization 指导教师： 职称： 副教授 学生姓名： 学号： 专 业： 材料科学与工程（金属材料） 院（系）： 材料科学与工程学院 完成时间： 2012年6月3号 2012年 6 月 3 日摘 要钛合金具有较低的密度、较高的比强度以及其优良的耐蚀性能等而被广泛应用于航空航天、军工、车辆工程、生物医学工程和日常生活等各个领域。但由于其耐磨性较差、硬度低等缺点而限制了其使用。而金属硼化物具有优良的耐磨性、耐蚀性等，并能显著提高金属表面硬度。因此本文着重介绍通过固体渗硼法对ti-6al-4v合金进行表面改性处理，从而提高其表面性能。渗硼工艺已经在世界范围内被广泛应用与改良金属表面性能，其可分为：固体粉末渗硼、盐浴渗硼、气体渗硼等。本文所用为固体粉末渗硼方法，采用正交试验，通过采用不同温度、不同渗硼时间以及不同的渗硼剂成分组成等不同条件，以确定不同渗硼工艺对渗硼层组织的影响。通过对材料进行金相制作，并进行金相组织观察和显微硬度测试等，发现在880，渗硼5h条件下有最厚的渗硼层组织，且此时硬度值较大。关键词:ti-6al-4v；渗硼层组织 abstracttitanium alloy has low density, high intensity and its good than such as corrosion resistance performance is widely used in aerospace, military industry, vehicle engineering, biomedical engineering and daily life, and other fields. but because the wear resistance is bad, the low hardness faults and limit its use. but the metal boron carbide has excellent wear resistance, corrosion resistance, etc, and can significantly improve the metal surface hardness. so in this paper through the solid boriding method of ti-6al-4v alloy surface modification processing, thus improve the surface properties.boronizing process has been in the world scope is widely used and improving the metal surface properties, it can be divided into: solid powder boriding and salt bath boriding and gas permeability boron etc. .this paper used the boronizing method for solid powder, using the orthogonal experiment, by means of different temperature, different time and different boronizing the boronizing supply agent compositions and so on the different conditions, to determine the boronizing process on different boronization layer the influence of the organization.through to the material metallographic production, and use the optical microscope microstructure, and micro hardness on the surface of material test, found in 8800c, the boronizing 5 h condition has the thick boronization layer organization, and the hardness value is at large.key words: ti-6al-4v；boronization layer organization39目录摘 要iabstractii1 绪论11.1 钛及钛合金概述11.1.1 钛合金分类11.1.2 钛合金性能21.1.3 钛合金用途31.2 渗硼工艺概述31.2.1 渗硼历史发展31.2.2 渗硼工艺41.3 渗硼层组织形成61.4 研究内容72 实验条件和方法82.1 实验路线与方案82.2 实验材料与设备92.3 试样制作与渗硼92.4 试样金相制作、观察与显微硬度测试102.4.1 试样夹持102.4.2 打磨102.4.2 抛光112.4.3 腐蚀112.4.4 金相观察112.4.5 显微硬度测试113 实验结果和分析123.1 金相显微组织观察与分析123.1.1 金相组织观察123.1.2 金相组织分析123.2 渗硼层与过渡区厚度分析183.3 显微硬度测试与分析194 结论21参考文献22附件1 郑州大学毕业设计（论文）任务书23附件2 郑州大学毕业论文开题报告表24附件3 郑州大学毕业论文计划进程表25附件4 郑州大学毕业论文中期检查表26附件5 郑州大学毕业论文成绩评定表27外文翻译28外文原文34致谢381 绪论1.1 钛及钛合金概述钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料，目前钛及钛合金在航空航天、军工、车辆工程、生物医学工程和日常生活等领域内已经有非常大的应用范围并有着广阔的应用前景，因此其长期以来一直是材料领域的研究热点。纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽，原子序数22，相对原子质量47.867。能在氮气中燃烧，熔点高，且密度低、强度高，耐蚀性良好。钛元素在地壳中含量位居所有元素中第九位，在含量最丰富的结构金属中排第四位，仅次于铝、铁和镁。钛合金具有比强度高、抗蚀性优异等显著特性，因此具有较大的应用范围及应用前景。1.1.1 钛合金分类像许多其他金属（如ca、fe、co、zr、sn和ce）一样，钛也能结晶形成不同的晶体结构。在低温下，纯钛和大多数钛合金结晶成接近理想状态的密排六方结构（hcp），成为ti。高温下，体心立方结构（bcc）的钛很稳定，则称为ti。纯钛的转变温度为（882+2）。根据对转变温度的影响，钛的合金化元素可分为中性元素、相稳定化元素或相稳定化元素。相稳定化元素将相区扩展到更高的温度范围，而相稳定化元素则使相区向较低温度移动。中性元素对转变温度的影响很小。这其中al是最主要的相稳定化元素，而相稳定化元素可分为同晶型元素（如mo、v和ta）和共析性元素（如fe、mn、cr、cu、si和h），而中性元素常用的为zr、sn。因此，钛合金根据退火组织可分为钛合金、钛合金、+钛合金（还包括含有少量相的近合金）。钛合金 退火组织为以钛为基体的单相图熔体的合金成为钛合金。这类合金中的合金元素主要为是稳定元素和中性元素，如铝、锡、锆，基本不含或只含很少量的稳定元素，强度很低。其主要特点是高温性能好，组织稳定，焊接性和热稳定性好，是发展耐热钛合金的基础，一般不热处理强化（ti2cu合金除外）。+钛合金 退火组织为+相的合金称+两相合金。当稳定元素超过一定临界成分时，称为富的+钛合金；当稳定化元素低于临界成分时，称为贫的+钛合金。这类合金的特点是有较好的综合力学性能，强度高，可热处理强化，热压力加工性好，在中等温度下耐热性也比较好；但组织不够稳定。近钛合金 相中原子扩散快，易于发生蠕变。为了提高蠕变抗力，在（+）合金中，必须降低相的含量，因而发展出所谓近钛合金。这类钛合金中所含稳定元素一般小于2%，其平衡组织为相加少量相。这类合金具有最好的耐热性。钛合金 含稳定元素较多（17%）的合金称为合金。目前工业上应用的钛合金在平衡状态均为（+）两项组织，但空冷时，可将高温的相保持到室温，得到全组织。此类合金有良好的变形加工性能。经淬火时效后，可得到很高的室温强度。但高温组织不稳定，耐热性差，焊接性也不好1。1.1.2 钛合金性能钛合金的性能主要取决于和两相的排列方式、体积分数、以及各自的性能。因此，综合来说，钛合金具有以下性能2：强度高 在所有的金属材料中，只有最高强度的钢的比强度高于钛合金。传统钛合金的屈服强度大多在8001200mpa之间，其中亚稳合金强度最高。通常通过三种措施提高钛合金强度：合金化、加工工艺和复合材料技术。比强度高 钛合金的比重小、强度高，因此其比强度较高。表1.13为钛合金与常用合金比强度，其中钛合金最高：表1.1 几种常见合金比强度值合金镁合金铝合金高强钢钛合金ti-6al-4v30钢ly12铝合金比强度/x105cm1621232926.414.115.416.7抗腐蚀性优异 钛是极活泼的元素，极易与氧发生反应生成tio2。微米级钛粉在常温下就容易吸氧自燃。但是,钛表面所生成的几个到几十个纳米的氧化膜极其完整致密, 具有遭局部破坏后在瞬间自修复的能力,并且在大多数环境中是稳定的, 因此钛及其合金就具有非常好的抗腐蚀能力。由于钛氧化膜即使遭到局部破坏,仍有吸氧“自愈”的特点, 所以钛在氧化性或中性的介质中耐腐蚀的能力很强。钛在硝酸以及在常温下, 5 %以下的硫酸、盐酸、磷酸中有较好的耐腐蚀性, 在海水中几乎不被腐蚀。高、低温性能好 现在新型钛合金能在600的高温下长期稳定工作。同时钛合金的低温性能也非常好，在低温（-200）下仍能保持很好的塑性，适合在超低温下工作。1.1.3 钛合金用途钛及钛合金具有密度小、比强度高、工作温度范围较宽、抗蚀性优良、导热性差、弹性模量低等特点，目前其主要用途可大致分为三类：喷气发动机、航空构架和工业应用。航空航天及军事应用 钛合金在航空航天及军事上的应用，主要是利用其优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐蚀性，比如航空构架要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。而钛合金优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。化工、能源等工业应用 由于钛合金具有优良的抗腐蚀性，因此钛铸件可用于工业中的耐腐泵、阀门、叶轮等大部分在腐蚀性很强的液体介质中运转部件。钛合金是海水、盐水、碱金属氯化物等无机介质中具有很强抗蚀性能的金属材料。因此被广泛应用于氯碱工业以及海水淡化等。汽车工业 由于钛合金密度小、比强度高等优点，其主要被应用在汽车领域用以减少内燃机往复运动件的质量和汽车的总重量。医疗器械应用 钛及钛合金具有很好的生物相容性和耐腐蚀性，因此其在医学领域有较好的应用。体育器械应用 由于钛合金的优良性能而被广泛应用在高尔夫球头、网球拍、摩托艇和马具等体育用品上。1.2 渗硼工艺概述1.2.1 渗硼历史发展渗硼工艺自诞生至今已有100多年历史，金属的渗硼层具有硬度高、耐蚀性、耐磨性好，抗高温氧化性及红硬性优良等优点4。从二十世纪七十年代，国内外开始大量研究与应用渗硼技术, 主要对液体渗硼和固体粉末渗硼技术的渗硼剂、渗硼工艺、渗硼原理及渗硼层组织与性能进行了开发研究。国外以日本为代表进行了液体渗硼的研究, 以德国为代表进行了固体粉末渗硼技术的研究, 并都取得了成功。我国大量开展渗硼技术的研究是在20世纪70年代后期开始的。随着渗硼技术不断发展，时至今日，渗硼工艺已有盐浴渗硼、固体渗硼和气体渗硼以及新近出现的等离子渗硼和激光重熔技术等，目前国内外研究应用最多的是固体渗硼。这是因为与其他渗硼工艺相比，固体渗硼工艺具有明显的优点：其操作方便、设备简单、质量易控制等，因此被广泛应用于工业生产中。钛及钛合金具有比强度高、低温性能优良和耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天和石油化工等域，钛及其合金的主要缺点是表面硬低、耐磨性差，摩擦系数大，这使得钛制零件在用作滑动部件时，易与对磨材料发生咬合，造成磨损，严重限制了其应用范围。钛的硼化物是一种硬度高、导热性好的陶瓷材料，进行渗硼处理可使钛的表面形成硼化物这是改善钛的耐磨性的一种非常有效的手段。1.2.2 渗硼工艺渗硼和其他化学热处理一样，是有含硼介质（如na2b4o7、b4c等）与活化剂化学反应产生活性硼原子b，被吸附到工件表面后经扩散形成渗硼层。渗硼的方法可分为液体、固体、气体、等离子法。表1.2为各种方法所用渗硼介质5。表1.2 渗硼介质和渗硼方法渗硼方法渗硼介质工艺特点气体bcl3(bf3、bbr3)+h2b2h6+h2(ch3)3b、（c2h5）3b用电阻丝加热，也可用感应加热，到温后通入渗硼介质等离子态b2h6+h2利用辉光放电离子化，在电场作用下，硼离子正向工作液体na2b4o7+sic（硼铁）na2b4o7+还原剂+中性盐工作浸在熔融的盐浴中na2b4o7+nacl+b2o3hbo2+naf熔化的氟化物+硼或固体硼化物电解，工作阴极，石墨作阳极固体非晶硼+活化剂硼铁+活化剂b4c+活化剂粉末装箱，在箱式电炉中加热或将渗硼介质和石墨混合在流动粒子炉中加热b4c+na3alf6+硅酸乙酯硼铁+ na3alf6+水玻璃制成膏剂涂在工件表面，感应加热或保护条件下加热，将膏剂涂于铸型型腔表面，利用金属液热量实现铸渗（1）液体渗硼液体渗硼主要有盐浴渗硼和电解渗硼。a 盐浴渗硼 盐浴渗硼一般用不锈钢坩埚，在井式电炉中加热，具有设备简单、操作方便和渗层结构易于控制等优点。缺点是硼砂盐浴对坩埚浸蚀严重，流动性太差，粘盐多，难清洗等，因而逐渐不再使用。以硼砂为供硼剂的盐浴。在熔融的硼砂盐浴中，加入硅钙铁、碳化硅、碳化硼、硅铁、铝、镁、钙等还原剂，使盐浴中产生活性硼原子b，达到渗硼目的。如在加碳化硅的硼砂盐浴中存在下属反应：（1.1）（1.2）（1.3） 活性硼原子被工件表面吸附后，会生成硼化物，从而达到渗硼效果。b 盐浴电解渗硼电解法液体渗硼时将工件插入电解槽中，电解质为熔融的硼砂及少量碳化硅或硼酐。以工件为阴极，石墨为阳极。也可直接用电解槽为阳极。在外接电源作用下，熔融的硼砂发生热分解和电离作用，从而产生b，b被工件吸收、扩散形成硼化物层。（2）固体渗硼固体渗硼是将工件表面清洗并干燥后，埋入装有渗硼剂的罐或箱中密封。渗硼箱选择双层盖为好，这样密封箱盖用的粘土所含的湿气不易进入箱内，有利于改善渗硼质量。固体渗硼具有不用专用设备，可用箱式炉和井式炉加热，工艺简便，工件表面干净，易清理等优点，因而近来发展较快，应用较多。a 渗硼剂的组成目前固体渗硼剂有粉末状和粒状两种，膏体渗硼剂也属于固体渗硼剂。固体渗硼剂一般由供硼剂、活化剂、还原剂和填充剂四部分组成，粒状和膏剂渗硼剂还需要添加胶黏剂。供硼剂的主要作用是作为渗硼源，为渗硼提供活性硼原子。目前国内外主要使用的供硼剂主要是硼铁、碳化硼、硼砂、硼和非晶硼。碳化硼含硼量高，渗硼处理后的渗层致密，但价格较贵，由于国产渗硼剂采用氯化物或氟化物作为活化剂，供硼剂多用硼铁或硼砂，以获得活性适中、成本低的渗剂。活化剂作用主要是影响渗硼速度。通过提高渗剂的活性，与供硼剂进行化学反应，产生气态化合物，促进活性硼原子的产生，加速渗硼过程。而在由还原剂组成的渗剂中还兼有促进还原反应进行的作用。一开始主要使用卤化物和碳酸盐作为活化剂，近来较为广泛使用的是氟硼酸钾和氟硅钠。填充剂的作用是防止渗剂烧结，保持渗剂松散型，一般使用碳化硅和三氧化二铝。本次试验采用固体渗硼法，渗硼剂的组成为kbf4、b4c和al2o3。b 固体渗硼化学反应机理固体渗硼剂配方很多，他们之间的化学反应极为复杂。以kbf4+sic活化时，会有以下反应：（1.4）其中bf3和kf将与硼铁中的硼发生如下反应：（1.5）（1.6）（1.7）（1.8）上述反应可无限循环，从而产生大量b，使材料达到渗硼作用。（3）气体渗硼气体渗硼是向密封的炉子中通入bcl3、bf3、b2h6等渗硼气体，在一定温度下渗硼气体分解生成活性的硼原子，经工件表面吸收后向内部扩散而形成硼化物层。其原理如下所示：（1.9）（1.10）（1.11）反应产物b与金属材料反应，从而形成硼化物层。（4）其他渗硼法渗硼方法还有电热旋流层渗硼、流动粒子炉中渗硼、粒子轰击渗硼等，它们大多利用渗硼剂在一定条件下产生活性b等，从而达到渗硼效果67。1.3 渗硼层组织形成渗硼和其他化学热处理相似，硼原子的渗入过程是由含硼介质的分解，产生的活性硼原子向工件表面迁移，硼原子被表面吸附和由工件表面向内部扩散等4个过程组成。因此通常将渗硼过程分为三步：第一步是渗硼剂中硼原子向金属材料表面转移；第二步为表面硼化物的形成过程，渗硼初期硼化物主要在试样表层的晶界或晶体缺陷处形核；第三步为硼化物层的生长过程，渗硼层的生长具有择优取向的特点，择优方向为硼化物的晶向，渗硼层的生长主要依靠硼原子沿硼化物晶体中晶向扩散，属晶内扩散8。1.4 研究内容本实验通过对钛合金进行不同条件下固体渗硼处理，使之得到在不同渗硼条件下的渗硼层组织。通过光学显微镜观察不同实验条件下的渗硼层组织特征，并分别对不同条件下的试样进行显微硬度测试，然后讨论硬度值结果与渗硼层组织结构的关系，从而得出渗硼层组织与渗硼工艺的关系。2 实验条件和方法2.1 实验路线与方案本实验采用的实验路线基本如下： 截取试样 金相试样制备渗硼处理om观察显微硬度图2.1 实验路线图本实验采用正交实验，选出具代表性的9组实验方案（如表2.1,表2.2所示），对试样进行渗硼处理后，将试样打磨、抛光、腐蚀制作金相，然后进行显微组织观察，显微硬度测试，测量渗硼层厚度等，通过对比，从而得出不同渗硼工艺对钛合金渗硼层组织的影响以及不同渗硼层组织对钛合金性能的影响。表2.1 实验因素表水平实验因素时间（h）温度（）氟硼酸钾含量（%）碳化硼含量（%）158003327880553995077正交实验设计(orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。用正交实验设计实验方案可使本次实验更加简单易行，更具有代表性。表2.2 l9(34) 正交表试验号实验因素时间（h）温度（）氟硼酸钾含量（%）碳化硼含量（%）1580033278005739800754588055578807369880377595077879503599950532.2 实验材料与设备ti-6al-4v合金板（化学成分：al:5.56.8%,v:3.54.5%,fe:0.3%,c:0.1%,n:0.05%）渗硼剂：kbf4（还原剂）、b4c（供硼剂）、al2o3（填充剂）（不同配比）腐蚀剂： 3%hf（浓度40%）、5%hno3(浓度65%)酸性水溶液设备： srjx-4-9箱形电阻炉，pg-1型抛光机，olympush2-uma型金相采集系统，hv-1000显微硬度测试仪等。2.3 试样制作与渗硼本实验采用手工切割取样，将准备好的钛合金板切割为数块10x10mm的小块，并将试样表面用砂纸粗磨，去除表面变质层。.称量好一定配比的渗硼剂150g，将它们混合均匀，成粉末状。准备好干净不锈钢渗硼箱若干，将配好的渗剂装入，在箱底部铺满1020mm的渗剂，再放入两块试样，试样间距应不小于20mm，再将剩余渗剂均匀覆盖其上，然后用碎玻璃粉末或黄泥将箱体与箱盖密封，可用石棉填充盖与箱体之间的缝隙。将高温炉加热到试验温度，将密封的渗箱放入，保温一定的时间。本次试验所用高温炉为srjx-4-9箱形电阻炉，可根据以上实验方案决定所要加热温度以及加热时间。渗硼工艺流程如图2.2所示：试样进行手工切割表面预处理试样渗剂装箱配制渗剂渗箱入炉加热停止加热控制工艺参数渗箱空冷取出试样选择渗硼工艺参数图2.2 渗硼工艺流程2.4 试样金相制作、观察与显微硬度测试2.4.1 试样夹持将经过渗硼处理的试样经过表面粗磨后，使用试样夹夹持。在夹持时应试在同样条件下渗硼处理的试样并列夹持在一起，一个试样夹可在两面夹持两组（4个）试样。试样夹持后在试样夹上贴上标签，用以区分不同条件下处理的试样。使用试样夹的目的在于可将试样固定，易于后续的打磨、抛光制样。2.4.2 打磨将用试样夹夹持的试样先在砂轮机上打磨一下，使其表面大致光滑，然后使用100号的粗砂纸粗磨，之后分别使用200号、600号、800号砂纸打磨，直至达到可以进行抛光侵蚀，进行金相观察。在打磨过程中，应注意用力均匀，打磨方向要和上次打磨方向呈垂直方向。2.4.2 抛光本实验采用pg-1型抛光机进行抛光。在抛光过程中要轻拿轻放，以防止试样表面刮伤。产生抛光痕。抛光液不要太多，以使表面光洁，在抛光过程中可边抛光变加水冷却，防止抛光剂过热产生氧化。抛光试样直至试样表面光亮，在显微镜下不见划痕即可腐蚀。2.4.3 腐蚀腐蚀剂使用3%hf（浓度40%）、5%hno3(浓度65%)酸性水溶液，腐蚀时可短时多次腐蚀，以使组织清晰，腐蚀后立即烘干，防止表面出现液迹。2.4.4 金相观察金相观察主要用来观察渗硼组织形态及测量渗层厚度。实验设备：olympush2-uma型金相采集系统。实验过程：将制好的试样放在olympush2-uma型金相采集系统下观察渗硼层中硼化物的形貌、测量渗硼层的深度。由于渗硼层很薄，本实验主要采用放大100倍、200倍、500倍和1000倍来观察金相。2.4.5 显微硬度测试硬度是指在金属表面上的一个很小体积内抵抗弹性变形、塑性变形和破裂的能力。是一种迅速经济的力学性能的测试方法。本实验中对渗硼层的维氏硬度进行了测试。实验设备：hv-1000显微硬度测试仪。实验条件：加重载荷9.8n，作用时间15s。实验过程：测试安排在om观察和拍摄后，测试时沿渗层方向，依次打点，保证从表面渗硼层，过渡层，基体相都能够被测试到。尤其是渗硼层，要接连紧密测试。用hv-1000显微硬度测试仪测量渗硼层的显微硬度，每个试样按照等距离从渗层表面到基体上打一系列点，测量每个点(为菱形)的两条对角线的长度，代入显微硬度计自带的计算公式中，即可算出渗硼层的这个点的相应显微硬度值。3 实验结果和分析3.1 金相显微组织观察与分析3.1.1 金相组织观察如图3.1所示，图3.1(a)为4号试样在100倍镜下金相显微组织照片，图3.1(b)为7号试样在1000倍镜下显微组织照片：图 3.1 (a)为4号试样,(b)为7号试样在图3.1(a)中从左至右我们依次可以看到钛合金基体（灰色部分）、过渡区（亮白色区域）和渗硼层（黑线右侧白线）。我们可发现渗硼层是以条状分布在基体的边缘，且在渗硼层与基体之间有一条过渡区域。而在图3.1(b)中我们可清晰看到渗硼层以及过渡区的组织形态。我们可发现，渗硼层中的硼化物是以条状分布、分层排列。而在基体过渡区中的晶粒与基体晶粒相比具有更大的组织形态，而且其在金相显微镜下较基体组织白亮。在渗硼层与基体过渡区之间有一条黑线（可能为渗硼过程中的组织烧损）。而在黑线区域部分我们可发现有白色根须状组织分布，连接着渗硼层与基体过渡区域。 这些根须状组织为渗硼层内层组织向基体过渡区的延伸，表明b元素含量是从渗层至过渡区呈现为逐渐递减的趋势，直至基体部分不再含有b元素。3.1.2 金相组织分析如图3.2所示，其中图a、b、c分别为在800、880、950加热7h条件下渗硼得到的渗硼层组织金相照片，而图d、e、f分别为在880条件下，加热5h、7h、9h时得到的渗硼层组织金相照片。通过观察对比图3.2(a)、图3.2(b)、图3.2(c)，我们可发现在相同的渗硼时间条件下，随着渗硼温度的升高，渗硼层呈现为越来越薄的趋势，而渗硼过渡区域则随着渗硼温度的升高而呈现为逐渐变厚是的趋势。同时，随着渗硼温度的升高，渗层组织开始变得不均匀，会有部分渗层不连续现象出现。但，渗硼层与过渡区间的黑线区域不短的变窄，甚至消失。表明，随着渗硼温度的增高，b原子活性增强，使渗硼速度加快。而由于渗硼源的限制，随着渗硼的不断进行，表面的渗硼层中的b原子会向基体内部过渡，而由于高温b原子活性较大，从而会使较高温度下呈现为渗硼层的减薄、渗硼过渡区不断增厚的趋势。另外，我们可发现随着温度的升高，基体组织中的晶粒发生了粗化，晶粒逐渐长大。 图3.2 不同温度以及不同加热条件下的金相组织 x500(a).800、7h (b).880、7h (c).950、7h(d) 880、5h (e) 880、7h (f) 880、9h而通过对图3.2(d)、图3.2(e)、图3.2(f)的对比观察我们可发现，在相同温度条件下，随着渗硼时间的延长渗硼层有逐渐变薄的趋势，而渗硼过渡区也有逐渐增厚的趋势。同时，随着渗硼时间的延长，渗硼层组织也更加的均匀。表明，随着渗硼时间的延长，b原子不断地向基体内部扩散，而由于渗硼层中的b元素首先达到饱和程度，当外部硼元素浓度随着时间不断地减小时，会发生渗硼层中的硼原子向基体过渡区不断扩散的趋势，从而导致了渗硼层的不断薄化，而过渡区的不断增厚。同时我们可发现渗硼层与基体间的黑线区域却基本没有发生变化，表明黑线区域（烧损区域）与渗硼时间的关联不大。另外，其基体组织随着加热时间的延长而不断地粗化，发生了晶粒的长大。由以上结果我们可知，渗硼层以及过渡区的厚度与渗硼时间以及渗硼温度有着很大的关系，且渗硼层厚度与过渡区厚度存在着反比的关系。渗硼层会随着渗硼温度的升高以及渗硼时间的延长而呈现为不断减薄的趋势，而过渡区部分则相反。而且，我们发现渗硼层与基体过渡区之间的黑线区域（烧损区）与渗硼温度有着很大的关系，而与渗硼时间的关联较小。同时，随着渗硼温度的升高抑或渗硼时间的延长，基体组织会发生变化，从而导致了晶粒的长大。以下从图3.33.11分别为19号试样的金相显微组织照片： 图 3.3 1号试样金相照片 图 3.4 2号试样金相照片如图所示3.3所示为1号试样在800，加热保温5h条件下经渗硼处理，在金相显微镜下观察得到的金相组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(3%)+碳化硼(3%)。从图中从左至右我们可观察到基体组织（灰白色区域）、过渡区（黑线左侧白色区域）和渗硼层（黑线右侧）。如图3.4所示为2号试样在800，加热保温7h条件下经渗硼处理，在金相显微镜下观察得到的金相组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(5%)+碳化硼(5%)。在图中从左至右我们可清晰看到基体（白色区域）过渡区（黑线左侧白亮部分）和渗硼层（黑线右侧）。 图3.5 3号试样金相照片 图3.6 4号试样金相照片如图3.5所示为钛合金在800，加热保温9h条件下在金相显微镜下观察到的金相组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(7%)+碳化硼(7%)。在图中从左至右我们可看到基体（白色部分）、过渡区和渗硼层(不连续白线处)。如图3.6为在880，5h条件下经渗硼处理的钛合金在金相显微镜下的金相显微组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(5%)+碳化硼(7%)。在图中从左至右我们可看到基体（灰白色区域）、过渡层（黑线左侧白色部分）和渗硼层（灰白色条状）。 图3.7 5号试样金相照片图 图3.8 6号试样金相照片如入3.7所示为钛合金在880，加热保温7h条件下得到的渗硼组织的金相显微组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(7%)+碳化硼（3%）。在图中从左至右我们可依次看到钛合金基体（白色部分）、过渡层（黑色不连续区域左侧）和渗硼层（白色连续条状）。可发现去黑色区域残缺较大，表明烧损较严重。如图3.8所示为钛合金在880，加热保温9h条件下在金相显微镜下观察得到的金相显微组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(3%)+碳化硼(5%)。在图中从左至右我们可依次看到钛合金基体（白色颗粒区域）、过渡层（黑线左侧白亮部分）和渗硼层（白色连续条状）。 图3.9 7号试样金相照片 图3.10 8号试样金相照片如入3.9所示为钛合金在950，加热保温5h条件下在金相显微镜下观察得到的金相显微组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(7%)+碳化硼(5%)。在图中从左至右我们可依次看到钛合金基体（白色区域）、过渡区（黑线左侧白亮部分）和渗硼层(细白线部分)。如图3.10所示为钛合金在950，加热保温7h条件下在金相显微镜下观察得到的金相显微组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(3%)+碳化硼(7%)。在图中从左至右我们可依次看到钛合金基体（白色颗粒区域）、过渡区、渗硼层（间断白线）。我们可发现过渡区较宽（白色横排晶粒区）。图3.11 9号试样金相组织 如图3.11所示为钛合金在950，加热保温9h条件下在金相显微镜下观察得到的金相显微组织。其渗硼剂组成为氟硼酸钾(5%)+碳化硼(3%)。在图中我们依次看到钛合金基体（白色颗粒区域），过渡区（白色横排晶粒）和渗硼层（边缘隐约白线处）。此时我们可发现在这一渗硼条件下过渡区呈现较宽的区域，而渗硼层较薄。而且在以上金相图中我们可发现在渗层与基体的结合部位有不同程度的孔洞和裂纹生成（在高温更明显），原因是渗层与基体热膨胀系数不匹配，导致冷轧钛板在受热时其基体内残存的大量应力在渗层和基体结合处集中并释放，导致了孔洞和裂纹。这将对钛合金渗层性能产生影响。对于钛合金渗硼层呈现为白色条状，有关文献曾有如下解释91011：经分析tc4钛合金的渗硼层是由tib2和tib双向化合物组成，且根据实验证明随着温度的升高，ti与b的振动频率增加，扩散速率也在增加，相应b的浓度增加，当b的含量（质量分数）达到18.4%（tib的含b量约为18.4%，tib2的含b量约为31.1%）时，则b与基体表层的ti化合成tib，使tib往基体内部“生长”，同样温度下由于表层的ti很快与b结合形成tib2，且tib2呈薄的白亮层均匀的“覆盖”在tc4钛合金表层，因此随着时间的延长，tib2增幅较小，增幅较大的是tib层的厚度以及渗入到基体的晶须的长度。tib被认为易形成晶须，晶须与基体结合将更有利于提高tc4钛合金的力学性能。tib增强相一般在集体上均匀分布，增强相呈短纤维状。在钛合金中tib短纤维已和基体合金表面呈不同的角度插在钛基体合金中，并且tib相的剖面呈六边形。原位形成的tib增强相，往往长成短纤维状。这是因为tib相沿正交晶格的b轴择优生长。tib具有b27结构，所以tib相沿010方向生长成短纤维状。而tib2主要以分布在集体中较粗大的块状和沿晶界分布的较细小的片状形式存在。经深腐蚀后发现，沿晶界分布的较细小的片状tib2主要由板片状和细棒状构成。块状tib2六面棱柱状，与有关的研究结果一致。在块状tib2的柱面即 面，存在相互平行并与（0001）面平行的薄片状凸耳：块状tib2的基面即（0001）面存在相互平行并与（0001）面垂直的珠棒状分枝，它们的晶体学取向与所在的tib2晶体的取向相同：同时在块状tib2的柱面和基面都存在清晰的生长台阶。板片状和细棒状tib2的显露面为 和（0001）面，在它们的 面都存在与（0001）平行（与0001晶向垂直）的薄状凸耳，并且在板片状tib2的（0001）面上还存在细棒状分枝。初生tib2晶体(0001）面上的突出部分具有较快的0001晶向生长速度，而晶向生长较慢，因此生长为柱棒状，它们的晶体学取向与初生tib2晶体的相同；初生tib2晶体的面上的突出部分具有较快的晶向生长速度，而0001晶向生长速度较慢，因此生长为凸耳状，它们的晶体学取向与初生tib2晶体的也相同，因此不平衡凝固过程使初生tib2晶体微观形貌发生了变化。板片状和细棒状tib2晶体微观形貌的生长机制与初生tib2晶体是相似的。因此，根据以上组织分析可知，钛合金的渗硼层主要由tib和tib2两相组成，且tib2分布在外表面。因此由此可得知钛合金渗硼层呈白色条状分布的原因。而又因为tib为正交晶系，而tib2为六方晶系，其能在钛合金表面形成了一层薄膜，从而能够很好的提高基体的表面硬度。这可从以下对试样的显微硬度分析中得到验证。3.2 渗硼层与过渡区厚度分析根据有关资料表明12：渗硼层厚度与渗硼时间与渗硼温度存在线性关系其公式可分别表示如下：(3.1)（1） 厚度反应温度变化公式： 其中：a、b、c为反应常数（随反应时间变化）。可见，渗硼层的厚度与反应温度呈二次函数关系。随着反应时间的延长，反应常数呈规律变化。(3.2)（2） 厚度随保温时间变化公式：其中：t为反应温度，t为反应时间。 以下图3.12中分别为6号、8号和9号试样500倍镜下的金相显微组织： 图3.12 各试样金相组织，(a)6号试样 (b)8号试样 (c)9号试样从图3.12中我们可清晰看到其渗硼过渡区组织。从图中可见过渡区组织呈现为较大块状，以垂直方向分布在基体与渗硼层中间部位。过渡区组织一般较为紧密，从图中三个试样可见其晶粒组织间基本没有间隙，而是紧密结合，这就可保证渗硼后表层的硬度。而同时我们可发现过渡区厚度较渗硼层厚度会大很多。而对比图3.12(b)和图3.12(c)可发现过渡区厚度会随着渗硼时间的延长而加大，渗层与过渡区结合也越紧密。同时对比图3.12(a)和图3.12(c)，我们可发现过渡区厚度会随着渗硼温度的升高而增大，且渗硼层与过渡区的结合也越紧密。下表3.1为各试样渗硼层以及过渡区厚度值:表 3.1 各式样渗硼层厚度试样号123456789渗硼层厚度平均值（格）86.35.59.26.25.44.64.33.5过渡区厚度最大值（格）28.630.234.329.831.228.530.433.632.1过渡区厚度最小值（格）11.811.412.414.213.518.616.319.617.6过渡区厚度平均值（格）20.220.823.322.022.323.523.326.624.8由以上表格数据可看出渗层厚度与温度时间的关系。渗硼厚度并没有随着加热时间延长而增大反而减小，而在880拥有最好的渗层。这与钛合金基体的、相的转化有很大的关系。而从过渡层厚度值我们可发现，随着渗硼温度以后渗硼时间的延长，过渡区厚度会明显的增加。主要因为高温时b原子活性较大，随着渗硼时间的延长能够渗入到更深的基体中，从而使基体中的渗硼过渡区呈现为不断增厚的趋势。3.3 显微硬度测试与分析显微硬度测试要沿渗层方向，依次打点，保证从表面渗硼层，过渡层，基体相都能被测试到。尤其是渗硼层，要接连紧密测试，以方便后续双向分析。下面表3.2为用hx-1000tm/tcd显微硬度计测试所得试样硬度结果：表3.2各试样显微硬度值试样号1234567硬度值（hv）246.3341.2272.7297.7358.2325.4149.1从以上结果我们可分析看出各个试样在不同的渗硼条件下其表面硬度也不同， 其中可见5号试样的硬度值最大。而总体来说880条件下渗硼组织最硬，950下硬度最差，而在各温度下渗硼7h条件下硬度值最好，5h时硬度值最差。这和前面的渗硼层组织组成有很大的关系。因为渗硼时间越长，b原子渗入越深，从而有利于整体硬度的提高；而温度过高或过低都会影响b原子在钛合金基体中的扩散速度，所以880时，最有利于b原子的扩散，因此在这一温度下的深层较厚且渗硼层硬度较大。4 结论（1） ti-6al-4v合金经渗硼处理后，其渗硼组织是由硼化物层、过渡层和基体三部分组成。且其渗硼层组织一般呈现为层条状分布，渗硼层内部有根须状组织渗入到过渡层中，从而实现渗硼层过渡层的楔合。其组织形态与钢铁渗硼后硼化物组织形态较为相似，且渗硼层与基体间皆以渗层斜插相楔合。（2） 在相同渗硼时间条件下，880时可到最好的渗层组织，而在950时，渗层组织却很薄；同时，基体过渡区会随着渗硼温度的升高而变厚。而渗硼温度相同时，渗硼时间越长，渗层组织反而有变窄的趋势，而过渡区会随着渗硼时间的延长而增加。所以两者结合来说，在880、5h条件下为最佳的渗硼工艺。此时，渗硼层厚度最厚，而且渗硼样品的硬度值也较大。参考文献1 c.leyens, m peters. 钛与钛合金m. 北京: 化学工业出版社, 2005: 15-20.2 张喜燕, 赵永庆, 白晨光. 钛合金及应用m. 北京: 化学工业出版社, 2005: 287-302.3 王向东, 郝斌, 逯福生等. 钛的基本性质、应用及我国钛工业概况j. 钛工业进展, 2004, 21(1): 6-10.4 张蜀红, 刘炳. 渗硼工艺研究与应用现状及发展j. 热加工工艺, 2007, 36(12): 68-74.5 齐宝森, 陈路宾, 王忠诚. 化学热处理技术m. 北京: 化学工业出版社, 2006: 355-395.6 陈树旺, 程焕武, 陈卫东. 渗硼技术的研究应用发展j. 国外金属热处理, 2003, 24(4): 8-12.7 潘邻. 表面改性热处理技术与应用m. 北京: 机械工业出版社, 2006: 227-240.8 蒋百灵, 雷廷权. 渗硼层的形成和生长机制及其动力学过程分析j. 金属热处理, 1991(4): 16-20.9 衣晓红, 樊占国, 张景垒等. tc4钛合金的固体渗硼j. 稀有金属材料工程, 2010, 39(9): 88-94.10 李邦盛, 尚俊玲, 郭景杰等. 原位tib/ti复合材料的熔铸制备及其显微组织j. 材料研究学报, 2005, 19(4): 375-380.11 张虎, 高文理, 张二林等. ti-54al-xb合金中tib2的形貌演变及生长机理j. 金属学报, 2002, 38(7): 699-702.12 贾保平, 贺跃辉, 汤义武等. 钛金属固体法渗硼新技术j. 中南大学学报, 2005, 36(2): 179-182.附件1 郑州大学毕业设计（论文）任务书课题情况课题名称ti-6al-4v合金渗硼层的组织研究教师姓名杨凯军职称副教授学位硕士教研室材料学课题来源a.科研 b.生产 c.教学 d.其它课题类别a.设计 b.论文实施地点郑州大学起止时间2011.112012.06上机时数拟指导学生数1对学生的特殊要求主要研究能容通过