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钛合金TC4

TC4(Ti-6Al-4V)：

α+β型合金，国际上一种通用型钛合金，其用量占钛合金总消耗量50％左右。在航空工业上多用于做压气机叶片，盘和紧固件等；当间隙元素含量低时，具有良好的低温性能，可制作在－196℃下使用的低温容器。 具有良好的综合力学机械性能。比强度大。TC4的强度sb=1.012MPa，密度g=4.4*103，比强度sb/g=23.5，而合金钢的比强度sb/g小于18。 钛合金热导率低。 钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m•K。线膨胀系数=7.89*10-6℃，比热=0.612cal/g•℃。钛合金的弹性模量较低。TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，故钛合金加工时容易产生变形。 TC4(Ti-6Al-4V)和TA7(Ti-5Al-2.5Sn)钛合金，采用两种注入方案进行表面改性，试验表明，钛合金经离子注入后，提高了显微硬度，显著地降低了滑动摩擦系数，有效地提高了耐磨性.为探明其改性机理，对注入与未注入样品进行了X射线光电子能谱(XPS)分析，获得满意的结果.

⑴合金成分特点：

铝：基本组元，用以保证合金在常温及高温下的性能。

钒：赋予合金热处理强化能力，可改善塑性；β同晶型元素，不存在共析反应，故组织稳定性较好，长期使用温度可达350℃；可减少Ti-Al系合金形成ω相的危险以及减轻铝的偏析。 TC4合金处于α+β相区，α＋β→β转变温度为996℃。在平衡条件下，β相约占7～l0％。

⑵组织与性能特点 TC4合金平衡组织为α+β，其形态为魏氏α+β和等轴α+β。热加工后组织取决于变形温度、变形量及随后热处理工艺。如在两相区加工，变形量小于50％，不能将粗大组织破碎，只有增大变形量才能将原β晶界、α和β条破碎；热轧温度提高，组织由等轴状变为网篮状和粗大魏氏组织，同时屈服强度略有下降，断裂韧性明显提高。 950℃以下加热，冷却方式对性能的影响较小，合金具有较高的综合性能；950℃以上加热，合金强度随冷却速度增加而提高，但塑性、韧性下降，故TC4合金热处理温度不应越过950℃。

⑶热处理：退火和淬火时效 普通退火：750～800℃×1～2 h＋空冷，得到不完全再结晶组织，故又称不完全退火。

再结晶退火： 930～950℃加热，以保证α相发生充分再结晶，随炉冷至540℃以下空冷。 淬火时效工艺：930～950℃＋水冷＋540℃×4～8 h。

⑷性能特点： TC4合金综合性能良好，使用温度范围宽(400～-196℃)，合金组织和性能稳定，合金化简单，工艺易掌握，适合大规模生产（棒料、锻件和中厚板材）。

当合金组织为细小等轴α+β组织，在 800～925℃范围内，以一定变形速率进行拉伸，合金呈现超塑性。据此可生产出精密的复杂锻件和钣金件，以减少工序，降低成本。 性能不足：如冷变形性能差，难于轧制成薄板和薄壁管材；淬透性低(小于25mm)，限制了时效强化的应用。

试件制备及注入条件1.1 试件制备

选航空用的TC4、TA7钛合金，试件制成圆盘状，尺寸为40*5mm，所有试件表面均抛光至镜面. 1.2 离子注入条件 两种钛合金都分别采用两种注入方案： ① 在TC4及TA7钛合金试件上溅射镀Ti，Ti膜总厚度为540nm(5400A).在镀Ti膜过程中，同时用(N+ +N+2)进行动态反冲注入，束流能量为50keV，束流密度为45μA/cm2，剂量为7*1017/cm2，靶室真空度为1.33*10-2Pa； ② 在①的基础上，再注入C+，束流能量为40keV，剂量为3*1017/cm2.

硬度测量　

用HXD-1000数字式显微硬度计测量了注入与未注入试件的显微硬度，测量载荷为4.9×10-2N，测量结果列于表1.

表1 显微硬度测量结果 材料 表面状态 显微硬度/MPa 硬度提高倍数 未注入 2690 0 TC4 注入(N+ +N+2) 6399 1.38 注入(N+ +N+2)+C+ 3436 0.28 未注入 3133 0 TA7 注入(N+ +N+2) 4276 0.36 注入(N+ +N+2)+C

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