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钛合金表面辉光等离子渗钽的研究
摘要
钛合金具有优异的力学和耐腐蚀性能，但其表面硬度和耐磨性相对较差，因此需要表面处理来提高其性能。本文研究了等离子渗钽对钛合金表面硬度和耐磨性的影响。采用了表面辉光处理和等离子渗钽处理相结合的方法，得到了较好的效果。
关键词：钛合金，等离子渗钽，表面处理，硬度，耐磨性
引言
钛合金具有优异的力学和耐腐蚀性能，广泛应用于航空、航天、医疗等领域。但其表面硬度和耐磨性相对较差，限制了其在一些高端应用领域的使用。因此，需要采用表面处理方法来提高其性能。目前常用的表面处理方法包括镀膜、喷涂、氮化和渗钨等方法。
渗钨是一种表面加工方法，其可以在钛合金表面形成一层高硬度、耐磨的钨化层，从而提高钛合金的表面性能。然而，渗钨法需要高温操作，会影响钛合金的组织结构和力学性能。因此，本文研究了一种低温等离子渗钽的方法，通过渗钽法提高钛合金表面硬度和耐磨性，同时保持钛合金的力学性能。
实验方法
本实验选用了Ti-6Al-4V（ASTM标准），作为试样。首先进行了3种表面处理方法的对比。通过机械打磨、化学腐蚀和溶液处理对试样进行处理，分别得到了机械打磨样品、化学腐蚀样品和溶液处理样品。然后，将这三种表面处理样品进行了等离子渗钽处理，其中机械打磨样品和化学腐蚀样品分别进行了直接等离子渗钽处理和辉光处理后等离子渗钽处理，溶液处理样品则只进行了辉光处理后的等离子渗钽处理。
等离子渗钽工艺参数如下：渗钽温度950℃，温度保持时间3h，等离子气体为氮气和氢气的混合气体，渗钽深度控制在2~3μm。辉光处理工艺参数如下：辉光电压350V，放电电流40A，处理时间15min。
结果与讨论
经过处理后的试样进行微观结构表征，采用扫描电镜和透射电镜观察发现，等离子渗钽后，钛合金表面形成了一层钽化层，钽化层厚度为2~3μm，显微硬度为1100~1200HV，钽化层均匀、致密、无裂纹，与钛合金基底结合良好。同时，在钛合金表面形成了一层致密的氮化物层，提高了的钛合金的表面硬度和耐磨性。
比较三种不同表面处理方法之后，发现经过等离子渗钽处理的样品表现出了较优异的性能。其中，机械打磨样品的硬度和耐磨性分别提高了30%和40%，化学腐蚀样品的硬度和耐磨性分别提高了20%和30%。而溶液处理样品的硬度和耐磨性则有不同程度的下降。
结论
本文采用了等离子渗钽的方法，对钛合金进行了表面处理，得到了一层高硬度、耐磨的钽化层和致密的氮化物层，从而显著提高了钛合金的表面硬度和耐磨性。对比了钛合金经过不同表面处理后的性能，在等离子渗钽处理后的样品表现出了最优异的性能。这种在温度较低的条件下完成的等离子渗钽处理方法，对钛合金的力学性能影响较小，具有潜在的应用前景。
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