纯钛表面微纳米化工艺及其稳定性研究

纯钛表面微纳米化工艺及其稳定性研究

采用超声波颗粒碎石轰炸（smpb）技术，在金属表面制备一定厚度的纳米结构层，即实现表面纳米化（snk）。表面纳米晶组织可以提高材料的整体力学性和环境服务能力。众所周知,钛具有密度小,耐蚀,比强度和比刚度高等优点,是新型功能材料和重要的生物材料,是继铁和铝之后的‘第三金属’,但因钛及钛合金硬度低,耐疲劳、耐磨损和微动磨损性能差等缺点使其应用受到限制。本实验采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对纯钛(TA2)进行了表面纳米化处理,分析测试了SFPB处理后的组织结构以及表面硬度,探讨了纳米化的机理。但由于纳米材料中存在着大量的非平衡晶界,处于不稳定状态,在使用过程中很容易因温度的升高而发生回复和再结晶,从而导致纳米材料失去特有的优异性能。为此,将SFPB处理后的试样进行不同温度的退火实验,对比SFPB样品在退火前后组织的变化,研究其热稳定性。1喷丸机表面改性实验采用60mm×60mm×4mm纯钛(TA2)板材,其化学成分(质量分数,%):0.15O,0.05N,0.05C,H<0.015,Fe<0.30,Si<0.15,其余Ti。经680℃加热保温1h的真空退火处理,真空退火后的晶粒尺寸在80µm左右。喷丸实验采用美国生产的1433/8558ProGRESSIVE(DT1480)数控喷丸机,主要参数为:空气压力0.18MPa,弹丸材质为ZG30,弹丸直径0.3mm,喷射角85º,喷丸强度0.25A,工作气压0.35MPa,覆盖率200%,喷射时间分别为5,15,30,60min。将经SFPB表面处理30min的试样,分别在300,350,400,450,500,550℃进行2h退火。利用XRD-7000S型X射线衍射仪(XRD)、GX-71金相显微镜(OM)、JEM-3010高分辨透射电镜(TEM)和Tukon2100B显微/维氏硬度计,对SFPB处理及退火后试样的表面晶粒尺寸以及变形层不同深度处的组织结构和硬度变化进行了表征。2结果与讨论2.1试样表层组织分析图1给出了纯钛(TA2)原始样品和SFPB不同时间处理后样品表面X射线衍射结果。从图中可知,与原始样的粗晶相比,轰击处理后的样品X射线衍射布拉格(Bragg)衍射峰明显的宽化。由于仪器衍射峰宽化对不同的样品作用相同,所以可以不考虑宽化的影响。由Bragg衍射峰可知,各个晶面的宽化程度不同,由物理宽化计算出其晶粒尺寸,5,15,30和60min对应的晶粒尺寸分别为54.53,28.97,23.28,20.74nm。可见,随SFPB处理时间的延长,试样表面晶粒尺寸逐渐减小,当处理时间为30和60min时晶粒尺寸大致趋于稳定。图2为经不同时间SFPB处理后试样截面金相组织。可见在试样表层形成了不同深度的变形层,并存在大量的变形孪晶。从图2a可以看出,5min喷丸处理后,试样表层晶界已经变得模糊不清,表明已经发生了强烈塑性变形,并随着处理时间的延长,强烈塑性变形区域的厚度也不断增加,达到30和60min时趋于稳定,其厚度约为60µm,总塑性变形区约260µm,见图2c和图2d,在变形区存在大量变形孪晶,其孪晶密度和形貌随喷丸时间和距表面的深度发生变化。越接近表层,形变孪晶越多,交割程度越严重;而且越接近表层,孪晶越细小,直至分辨不清,表明纯钛晶粒细化主要通过孪生变形来实现。图3为SFPB处理30min后试样距表面不同距离的TEM图像和衍射花样。图3a为距表面10µm处的组织形貌,为取向随机分布的纳米晶,其晶粒尺寸约为20nm。距表面20µm处晶粒的尺寸约为50nm(见图3b),图3c为距表面30µm处的晶粒尺寸,此时已超出纳米(>100nm)范围。可见,TA2经SFPB处理后纳米层厚度在20~30µm范围内。在超音速粒子轰击过程中,由于表层晶粒吸收了大量的能量,表层高的应变量、高的应变速率和弹丸撞击引起的重复变形3个方面的作用,致使晶粒产生了严重的变形,表层孪晶之间强烈的交互作用随距表面越近越剧烈,在孪晶发生交割的地方,逐渐变成大角晶界,形成了新的晶粒,这个过程多次重复,将最终得到随机取向、具有纳米尺寸的等轴晶粒。同时高的应变量和应变速率将诱发高密度的多系孪晶,使孪晶尺寸大大减少,进而达到纳米量级,即纳米孪晶。图4a为距表面60µm处的多系孪晶与高密度位错,此外,在尺寸较大的孪晶内部还可以观察到高密度的位错条带及位错墙。可见,尽管孪生是纯钛塑性变形的主要方式,在其变形过程中也存在位错,位错滑移则起着协调和补充的作用。它们在一起协同作用,共同形成了纯钛的塑性变形能力。随表面距离增大,变形度降低,变形孪晶有多系转变为单系,位错密度也不断下降,晶粒尺寸也逐渐增大,图4b为距表面100µm处的单系孪晶与低密度位错。2.2硬度hv图5a为不同SFPB处理时间的表面硬度变化曲线。由图可知,随SFPB处理时间的延长,表面硬度不断升高,当时间超过30min后硬度趋于稳定,硬度(HV)为5100MPa,与基体硬度(1800MPa)相比,增加了近3倍。从图5b可知,不同时间SFPB处理后的试样表层显微硬度随喷丸时间的延长,变形硬化层深度增加,经5,15,30和60min处理后的变形层深度(从表面测至基体硬度处)分别为123,171,218,228µm,并且在距表面同一深度处,处理时间越长,硬度越高。2.3晶粒尺寸与结构对SFPB处理30min的样品进行不同温度退火2h处理,退火温度及退火后的表面晶粒尺寸见表1。从表1可知,随着处理温度的升高,晶粒尺寸也在不断增加。当温度为450℃时,晶粒尺寸仍处于纳米级,当温度升高到500℃时,晶粒尺寸明显长大。图6为试样在不同温度下退火2h后的横截面金相组织。由图可知,在400,450℃退火时表层的金相组织基本没有发生变化(见图6a、6b)。在500℃退火时表面组织则出现了较大的变化(见图6c),晶粒开始粗化,在550℃退火时晶粒明显粗化,形成尺寸约为5~10µm等轴状晶粒,且孪晶密度明显下降。图7为450与500℃退火后的表面层透射电镜组织结构。从图7a可以看出,在450℃退火后试样表层的晶粒虽然已经发生了长大,但仍保持纳米尺度100nm以下。在500℃退火后,晶粒明显长大,晶粒尺寸在200nm以上(见图7b),此时的衍射环已经不连续,表明晶粒已经显著长大。3长期模糊化处理对材料表面显微硬度的影响1)纯钛(TA2)经SFPB处理后表层形成了随机取向的等轴纳米晶粒。随SFPB处理时间的延长,试样表面晶粒尺寸逐渐减小,在喷丸30min后晶粒尺寸趋于稳定,表层形成了20~30µm厚的纳米晶组织,表面平均晶粒尺寸约20nm。2)SFPB处理过程中,TA2以孪生为主要变形方式,随层深增加,形变孪晶逐渐由多系转变为单系,孪晶尺寸也逐渐由纳米量级转变为微米级。3)试样表面显微硬度随SFPB处理时间