基本介紹
- 中文名：粉末法
- 外文名：powder method
- 學科：冶金工程
- 別稱：粉晶法
- 領域：冶煉
- 釋義：利用多晶粉末來研究晶體
簡介,滲硼溫度和保溫時間的選擇,滲硼層的形貌分析,滲層XRD 檢測,磨粒磨損結果,滲層耐蝕性分析,影響滲層性能的工藝因素分析,總結,
簡介
固體粉末法滲硼是將工件放置於含硼的活性介質中，通過加熱、保溫和冷卻，使硼元素被吸附並擴散滲入工件表面層以改變表面層化學成分和組織，從而使其表面具有與心部不同的特殊性能的一種化學熱處理工藝。鈦合金固體滲硼方法簡單且更易控制，擁有較好的發展前景。對TC4 鈦合金採用固體粉末法進行滲硼處理，並加入稀土進行硼稀土共滲，研究加熱溫度、保溫時間、裝罐方式和稀土等對滲層性能的影響。
滲硼溫度和保溫時間的選擇
金屬鈦及其合金滲硼時所用的滲硼溫度一般比鋼鐵件高並且鈦較難滲硼， 因此提升溫度和延長保溫時間是獲得較厚滲硼的必要手段。但溫度低於1000℃時所需的熱動能不足， 滲硼效果不理想，而高於1100℃時效果與1100℃基本相同且工件變形量較大，晶粒長大速度過快，工件容易變形。選用1000、1100℃作為滲硼溫度。另外，隨滲硼時間的不斷延長，滲層厚度呈對數曲線關係上升，增加趨緩，選用10、12 和14 h 三種保溫時間作為對比。
滲硼層的形貌分析
TC4 試樣外面的白亮層以及內表層的須狀組織，有較為明顯的滲層和過渡層。內表層的須狀物呈一定角度楔入合金基體，與基體有機結合，滲層與基體之間楔合緊密，幾乎沒有裂紋和孔洞。
1100℃分別保溫10、12 和14h 的試樣在基體表面生成白亮產物，這些白亮的物質互相連成一片。白亮層由表面向心部逐漸變稀疏，顆粒呈等軸狀，基體是典型的針狀α+β 組織,且較之前1000℃的滲層更厚。結合後面XRD 相結構分析可知， 滲硼層由TiB2和B2O3等組成，滲硼層組織從表至里依次為TiB2-TiB2+B2O3-過渡層-心部基體組織。TiB2相的針尖端深深地插入過渡層中，過渡區通常與鈦合金的化學成分關係極大。
加入稀土後滲層厚度增加，滲層中晶粒更細小緻密，滲層表面無明顯疏鬆、夾雜等缺陷。這是由於稀土元素化學活性強，半徑較大，在鈦合金中的固溶度很小，在晶界的吸附能力較強。因此，當稀土元素滲入鈦合金表面後，將引起鈦原子點陣的巨大畸變， 導致晶體中空位和位錯缺陷數量增多，且B 原子優先在畸變區偏聚。這種偏聚有利於TiB2的形成，使試樣在共滲初期就形成了較多的鈦硼化合物。此外， 稀土元素的加入能加速滲劑的分解，促進活性B 原子的析出，提高了B 原子的濃度。這樣，高的濃度梯度和大量晶格畸變促使滲層增厚。
同一溫度下隨滲硼時間的延長滲層厚度均增大，且滲層厚度的增長率慢慢下降，滲層最厚可達180μm。溫度的影響大於時間的影響，在相同溫度下保溫時間為12 h 的比14 h 的滲層薄，但滲硼12 h 的滲層晶粒較細小，無晶粒粗大現象，晶粒比較緻密。固態擴散主要是在高溫下使滲劑中產生活性硼原子，活性原子在基體表面吸附，同時這些活性原子與表面的鈦原子結合生成化合物或向基體內部擴散， 擴散進入基體內部的活性原子與晶界處的鈦反應生成化合物。因此，升高加熱溫度和延長保溫時間可以提高硼原子的擴散速率，為硼原子和基體中鈦原子生成化合物提供了所需的吉布斯自由能。
滲層XRD 檢測
TC4 表面滲層中主要是TiB2，可以推測，在高溫下表層的Ti 與B 結合形成TiB2，TiB2呈薄的白亮層均勻地分布在TC4 鈦合金表面。由於基體成分中含有氧原子，因此隨著深度的增加TiB2相消失，B 擴散到基體中與O 形成了比TiB2硬度略小的B2O3硬質相。由表層到心部是由TiB2和B2O3的雙相化合物過渡到B2O3單相化合物，然後與基體緊密結合。
磨粒磨損結果
1000℃下隨保溫時間的延長，磨損速率依次下降，耐磨性得到提高。這是由於溫度的升高和保溫時間的延長促進了TiB2硬質相的形成，並使TiB2等軸晶粒的緻密度增大，從而提高了表層的耐磨性。試樣2a、2b、2c 的數據則反映出當溫度和保溫時間增加到一定程度時磨損速率開始上升，即耐磨性降低。這是由於高溫度下保溫時間過長會是晶粒粗大，緻密性下降，硬度降低，耐磨性能降低。
分析原因，升高溫度和延長保溫時間無疑增加了B 原子的滲入量，有利於TiB2硬質相的形成。而B 原子具有阻礙晶粒長大的作用，可使片層組織等軸化，隨B 原子數量的增多，等軸晶粒越多、越細小，緻密度越大，硬度越高。表面硬度增加從而提高了表面耐磨粒磨損性能。對比試樣3a 和2b，添加稀土後的試樣3a 的磨損速率有所下降，這表明添加稀土後的共滲層比單滲B 滲層更緻密，滲層中TiB2硬質相數量增多，柱狀晶細化且過渡區增厚，耐磨性更好。
滲層耐蝕性分析
將硼-稀土共滲TC4 鈦合金試樣、單滲硼TC4鈦合金試樣及單純TC4 鈦合金基體試樣在3.5%NaCl 溶液中做電化學腐蝕實驗。
硼-稀土共滲及單滲試樣的極化曲線陰極分支都遵從Tafel 規律。在3.5%NaCl溶液中， 各樣品Ecorr的大小分別為單滲硼TC4>硼稀土共滲TC4>未經滲硼處理的TC4，在相同電位下，對應的自腐蝕電流密度也是呈單滲硼TC4<硼稀土共滲TC4<未經滲硼處理的TC4 的規律，因此單滲硼樣品在3.5%NaCl 溶液中的耐蝕性最好；硼稀土共滲滲硼層相比單滲硼滲層耐蝕性降低。
影響滲層性能的工藝因素分析
1 加熱溫度對滲層性能的影響
在相同的時間內，隨溫度的升高，滲層厚度不斷增加。這是由於在相同的保溫時間內， 隨溫度的升高滲劑的分解能力提高，所提供的活性原子數大大增加，一些不是活性的原子獲得了外界提供的能量而成為活性原子。
同時，金屬中空位的平衡濃度增大，從而使擴散能力增強， 吸附在表面的大量活性原子很快向基體內部擴散，形成較厚的擴散層。加熱溫度如果太高，鈦合金晶粒會嚴重長大，導致基體硬度明顯下降，滲硼層緻密度也會下降，從而導致滲層的硬度、耐磨性及耐蝕性能等綜合性能下降。
2 保溫時間對滲層性能的影響
在加熱溫度一定時，分別保溫10、12、14 h 對TC4 試樣進行滲B 處理。可以看出隨保溫時間的延長， 滲層厚度呈上升趨勢，在10~12 h 上升趨勢最大，12~14h 上升趨勢稍平緩。這是因為在滲硼初期滲劑分解出活性硼原子，隨時間的延長硼原子濃度不斷增加，增加了濃度梯度，加速原子的擴散加快滲層生長。而12~14h，滲劑提供的活性原子數目逐漸達到穩定，滲層出現連續層並不斷向前推進，當滲劑逐漸分解完畢時，擴散的動力減小，滲層生長緩慢。當時間增延長一定值時，滲層厚度不再生長，這是由於距離越遠B 勢減弱，B 原子的擴散受到阻力越大，從而使滲層增長趨勢減小。
3 稀土對滲層性能的影響
稀土加入後得到了更好的滲層。分析原因是稀土能加速滲劑的分解，促進活性B原子的析出。再者，稀土元素的電負性小、化學活性大，在鈦合金表面形成許多活性中心，加速活性B原子在鈦合金表面的吸附，為硼原子向基體內擴散提供條件。加速B 原子向基體內的擴散，表現為加稀土的試樣在相同的溫度和保溫時間下獲得的的滲層厚度較未添加稀土的滲層厚度要大。加入稀土後試樣由於得到更厚的共滲層以及更多的TiB2硬質相使硬度有所提高，進一步提高了基體的耐磨損性能。但由於稀土-硼共滲時的Kirkendall 效應，外滲硼層TiB2層中形成了微小孔洞，因此稀土-硼共滲樣品的耐蝕性低於單滲硼試樣。
總結
(1) 滲硼溫度升高時滲層增厚， 但隨溫度繼續升高，溫度對滲層影響減緩，因此存在一個最佳的加熱溫度。當滲硼溫度過低時，B 在TC4中的擴散速度降低，用延長滲硼時間來增加滲層厚度不經濟。
(2) 裝罐方式由於影響試樣周圍滲劑的多少所以也必須重視。在升降溫速率方面在保證達到性能要求的前提下，應儘量緩慢加熱，滲硼試樣的冷卻方式採用隨爐冷卻，以減少應力影響。
