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掃描電鏡在鈦合金表面鍍層分析中的應用

瀏覽次數:1984 發布日期:2022-7-13  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負
鈦是一種在地殼中儲量豐富的元素(在元素含量中居第 10 位),其含量超過地殼質量的 0.4%,并且由于鈦及其合金具有優異的物理、力學性能,在各行各業尤其是航空工業中應用廣泛,被譽為“太空合金”。
 
圖 1 波音 777 飛機機身使用材料示意圖[1]
 
鈦合金按相組成可分為:密排六方結構 (HCP) 的 α 型鈦合金(國內牌號 TA)、兩相混合的 α+β 型鈦合金(國內牌號 TC)和體心立方結構 (BCC) 的 β 型鈦合金 (國內牌號 TB)。

Ti-6Al-4V(UNS 編號 R56400,有時也稱為 TC4 或 Ti64),是一種具有高比強度和優異耐腐蝕性的 α-β 鈦合金。它是最常用的鈦合金之一,廣泛應用于需要低密度和出色耐腐蝕性的領域,例如航空航天工業和生物力學應用(植入物和假肢)等。與更傳統的不銹鋼和鈷基合金相比,鈦合金作為生物材料的使用越來越多,因為它們具有較低的模量、優異的生物兼容性和更強的耐腐蝕性。


圖 2 Ti-6Al-4V 的 SEM 顯微結構圖

Ti-6Al-4V 合金經過熱處理以改變其微觀結構中 α 和 β 相的數量,微觀結構將根據確切的熱處理和加工方法而顯著變化(三種常見的熱處理工藝是軋機退火、雙相退火和固溶處理和時效)。借助飛納臺式掃描電鏡的 EDS-mapping 功能,可以獲得各相中元素含量、分布狀態,通過不同相中相穩定元素含量的差異(α 相中常固溶 Al、Sn,β 相中常固溶 V、Cr 等)及 BSE 圖片的襯度差異能夠分析 α 相和 β 相的微觀結構。


圖 3 Ti-6Al-4V 的 EDS-mapping 分析

雖然鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、耐熱性好等諸多優點,但單一的鈦合金材料在實際應用中也存在很多缺點,比如表面硬度較低、摩擦系數高、易磨損、高溫(600 ℃ 以上)易氧化等[2,3]。這使鈦合金作為關鍵運動副零部件,尤其是在高溫環境工作時,表面易發生氧化腐蝕和嚴重磨損,在生產應用中,常需要通過表面處理技術,使鈦合金在保持高比強度的同時,具有優異的耐磨和高溫抗氧化性能[4]


圖 4 Ti-6Al-4V 的 MoSi2 鍍層 SEM 圖

新型高溫材料 MoSi2 具有優良的高溫抗氧化性能且硬度高,可作為 Ti-6Al-4V 合金表面的抗氧化涂層。但高溫下該涂層與基體合金的界面穩定性較差,Si 元素的內擴散會導致 MoSi2 涂層快速退化,從而降低其抗氧化性能以及縮短其服役壽命。此外,合金元素的外擴散會導致在基體中形成 Kirkendall 孔,因而降低其力學性能及其與涂層的界面結合強度。因此,需要在 MoSi2 / Ti-6Al-4V 合金界面處制備阻擴散層,以延緩界面互擴散并提高涂層的服役壽命。采用 SEM 和 EDS 分析復合涂層的微觀形貌、相組成、化學成分和元素分布等,可以研究涂層的抗氧化性能,分析復合涂層的抗氧化機理,探討阻擴散層的作用機制及失效機理。
 

圖 5 Ti-6Al-4V 的 MoSi2 鍍層缺陷分析:如上圖所示,MoSi2 鍍層出現斷裂,斷裂處由于 MoSi2 涂層的失效出現 V、Ti 元素的外擴散,在斷裂處觀察到其氧化沉積物。


圖 6 Ti-6Al-4V 的 MoSi2 鍍層 Si 元素擴散失效分析:如上圖所示,MoSi2 鍍層由外至內觀察到 Si 元素含量含量的變化,說明 MoSi2 涂層中 Si 元素逐步擴散、涂層性能退化的過程。

參考文獻

[1] Council N . New Materials for Next-Generation Commercial Transports[J]. 1996.

[2] Ohidul Alam M, Haseeb A. Response of Ti-6Al-4V and Ti-24Al-11Nb alloys to dry sliding wear against hardened steel [J]. Tribology International, 2002, 35: 357-362.

[3] Guleryuz H, Cimenoglu H. Oxidation of Ti-6Al-4V alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 472: 241-246.

[4] 徐江寧. Ti6Al4V合金表面激光熔覆高溫抗氧化及耐磨復合涂層試驗與分析[D]. 蘇州大學.
發布者:復納科學儀器(上海)有限公司
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