引言

鈦和鈦合金具有高強度、良好的耐熱性和耐蝕性等特性，在航天、航空、核電、造船及汽車等領域應用廣泛，在軸承行業也嶄露頭角，具有良好的發展前景［1?3]。TC4是鈦合金中可以熱處理強化的α＋β型鈦合金，也是應用最廣泛和最重要的一類鈦合金［4]。激光用于金屬表面熱處理，由于其加熱和冷卻過程中過熱度及過冷度均大于常規熱處理，可獲得細化和超細化金屬表面組織，由此可獲得更高的表面硬度［5]。因此可利用激光表面改性技術應用于鈦合金，以提高鈦合金表面的耐磨性。本文對TC4鈦合金進行了不同工藝的激光表面強化處理，研究不同工藝的激光表面強化處理對其表面硬度和硬化層組織的影響，并與其他固溶處理工藝進行了對比。

1、試驗用原材料

試驗用TC4鈦合金原材料化學成分見表1，從表1的數據可以看出，其Al含量為6.80％（質量分數，下同）；Ｖ含量為3.97％；鈦含量約88.88％；雜質單一含量為0.10％，總和為0.35％，試驗用TC4鈦合金原材料化學成分符合GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號和化學成分》標準值。

試驗用TC4鈦合金原材料硬度見表2，其硬度為31.4HRC。

2、試驗結果與檢測分析

2.1 TC4鈦合金退火工藝試驗與檢測分析

試驗用TC4鈦合金退火溫度為780℃，保溫時間為90min，試驗用TC4鈦合金退火工藝與硬度的關系見表3。從表3的數據可以看出，試驗用TC4鈦合金退火后硬度為32.2HRC，略高于原材料的硬度（31.4HRC）。

試驗用TC4鈦合金原材料的退火組織如圖1所示，其顯微組織為趨等軸狀初生α＋β。

2.2 TC4鈦合金真空固溶＋時效處理工藝試驗與檢測分析

真空固溶處理采用ＶＯＱ334雙室油氣淬火爐，真空時效采用ＶＰＴ?7712真空加壓回火爐。試驗用TC4鈦合金真空固溶處理與硬度的關系見表4，試驗用TC4鈦合金固溶后時效處理與硬度的關系見表5。

從表4的數據可以看出，試驗用TC4鈦合金真空固溶處理后的硬度為36.5HRC，高于退火后硬度（32.2HRC）和原材料的硬度（31.4HRC）。從表的數據可以看出，TC4鈦合金真空固溶＋時效處理后的硬度在36.4HRC以上，在520℃時效后的硬度最高，為39.7HRC，比原材料的硬度（31.4HRC）高出8.3HRC，比固溶處理（36.5HRC）高3.2HRC。

2.3 TC4鈦合金激光表層固溶＋時效處理工藝試驗與檢測分析

試驗用TC4鈦合金激光表層固溶處理采用光纖耦合半導體激光器（ＬＤＦ3000?100，ＶＧ3ＥTC4）。

激光表層固溶處理采用兩種工藝方案。激光固溶處理工藝（1）：激光功率1500Ｗ，移動速度1000mm／mim，焦距150mm，光斑4mm×10mm。

激光固溶處理工藝（2）：激光功率1000Ｗ，移動速度1000mm／mim，焦距150mm，光斑4mm×10mm。

1）激光表層固溶處理工藝與硬度的關系

試驗用TC4鈦合金激光表層固溶處理與硬度的關系見表6，試驗用TC4鈦合金激光表層固溶處理＋時效處理與硬度的關系見表7。

從表6的數據可以看出，試驗用TC4鈦合金激光表層固溶處理工藝（1）后的硬度為37.7HRC，激光表層固溶處理工藝（2）后的硬度為36.7HRC，均高于真空固溶處理硬度（36.5HRC）。

從表7的數據可以看出，試驗用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（1）＋時效后的硬度在41.0HRC以上，在540℃時效后的硬度最高，為51.3HRC，比真空固溶處理＋時效的硬度39.7HRC高出11.6HRC。

從表7的數據可以看出，試驗用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（2）＋時效后的硬度在38.3HRC以上，在500℃時效后的硬度最高，為44.4HRC，比真空固溶處理＋時效的硬度39.7HRC高出4.7HRC。

2）激光表層固溶處理工藝與硬化層組織的關系

試驗用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（1）＋時效（008?5）后，距表面約0.3mm區間內組織為α＋β基體上分布有少量等軸狀初生α晶粒；表層組織為細針狀馬氏體，外表面有重熔現象，過渡區組織為初生α＋β相，心部仍為退火態組織，如圖2所示。

試驗用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（2）＋時效（009?5）后，距表面約0.2mm區間內組織為α＋β基體上分布有少量等軸狀初生α晶粒；表層及過渡區組織為初生α＋β相，心部仍為退火態組織，如圖3所示。

3、討論及結論

1）硬度

試驗用TC4鈦合金激光表層固溶處理工藝（1）后的硬度為37.7HRC，激光表層固溶處理工藝（2）后的硬度為36.7HRC，均高于真空固溶＋時效的硬度（36.5HRC）。

試驗用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（1）＋時效后的硬度在41.0HRC以上，在540℃時效后的硬度最高，為51.3HRC，比真空固溶處理＋時效的硬度39.7HRC高出11.6HRC；試驗用TC4鈦合金激光固溶處理工藝（2）＋時效后的硬度在38.3HRC以上，在500℃時效后的硬度最高，為44.4HRC，比真空固溶處理＋時效的硬度39.7HRC高出4.7HRC。

2）硬化層組織與深度

TC4鈦合金一般在950℃固溶處理后組織呈等軸狀，而高于1020℃以后組織會呈片狀、針狀，更高溫度下會形成馬氏體。但鈦合金中馬氏體不像鋼鐵材料中的馬氏體那樣有很高的強度及硬度。本試驗中激光固溶處理工藝（1）的實際表層加熱溫度超過了950℃，因此出現馬氏體形態，且強化層也相對較厚。TC4鈦合金激光固溶處理工藝（1）固溶強化層深度約為0.3mm，激光固溶處理工藝（2）固溶強化層深度約為0.2mm。

3）綜合評價

激光固溶處理工藝參數只是激光功率不同，雖然激光固溶處理工藝（1）的硬度比激光固溶處理工藝（2）的高，強化層厚，但激光固溶處理（1）的表面出現重熔的現象，表面硬度波動較大。適當的激光固溶處理工藝可以提高TC4鈦合金的硬度，可提高TC4鈦合金軸承的耐磨性。

參考文獻

[1]馬亞芹，楊闖.鈦合金的表面強化技術[Ｊ].現代機械，2011（5）：68?69；77.

[2]段冰冰，王治國，蔡晉，等.鈦合金表面納米強化研究進展［Ｊ].表面技術，2021，50（12）：202?216；245.

[3]田永生，陳傳忠，王德云，等.鈦合金的激光表面處理研究進展［Ｊ]，金屬熱處理，2005（8）：29?34.

[4]趙永慶，辛社偉，陳永楠，等.新型合金材料-鈦合金[Ｍ].北京：中國鐵道出版社，2017.

[5]任頌贊，陳德華.金屬材料及工藝的金相分析［Ｍ].上海：上海科學技術文獻出版社，2023.

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