气体氮化与复合强化热处理对VT22钛合金微观结构演变的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：EFFECT OF COMBINED STRENGTHENING HEAT TREATMENT WITH GAS NITRIDING ON MICROSTRUCTURAL EVOLUTION OF VT22 TITANIUM ALLOY

VT22合金在1 Pa和10^5 Pa氮气压力下进行渗氮处理，结合热强化处理（820、750、600℃各6小时），形成连续TiN层及α’-Ti(N)应变诱发马氏体，表面硬度分别提升至10 GPa和15 GPa，耐磨性提高40倍，同时保持基体高强度和优异加工性能。

　　VT22合金属于高强度近β钛合金，这类材料因其卓越的综合性能，在航空工业中得到了广泛应用。其高抗拉强度（UTS）和良好的延展性使其成为制造承受高载荷部件的理想选择，例如起落架组件、机翼支架、发动机吊舱、补偿弹簧、机身和液压缸等。这些合金通常含有β稳定元素，如钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）和铁（Fe），以增强其机械性能和热稳定性。VT22合金的典型成分为Ti–5Al–5Mo–5V–1Cr–1Fe，其在退火状态下具有约1010 MPa的抗拉强度和约8%的延伸率，经过热处理后，抗拉强度可提升至约1280 MPa，同时保持接近7%的延展性。这种良好的热处理响应使得VT22合金能够用于制造厚度达250毫米的部件，即使在后续机械加工过程中也能保持其强度。

然而，尽管VT22合金在强度和耐高温性能方面表现出色，其在耐磨性方面仍存在不足。特别是在航空领域，一些关键部件如起落架缸体，在工作过程中会经历复杂的摩擦条件，导致其表面迅速磨损，进而影响整体性能和使用寿命。例如，An-124飞机的襟翼控制杆原本使用40KhNMA钢制造，随着时间推移，其表面的铬涂层出现剥落，暴露的区域则发生腐蚀，最终导致部件失效。为此，该部件被替换为VT22合金，但即使如此，经过6000次飞行后，其仍因与承载滚轮的摩擦而出现不可接受的磨损痕迹，从而无法继续使用。这表明，VT22合金在实际应用中，其表面机械性能仍需进一步优化，以延长部件的使用寿命并提高其可靠性。

为了提升VT22合金的表面性能，研究者尝试采用氮化处理（gas nitriding）这一方法。氮化处理是一种常见的表面改性技术，能够通过在材料表面形成氮化物层，显著提高其硬度和耐磨性。然而，传统氮化处理通常需要在高温下进行，这可能会对材料的内部结构产生不利影响，特别是对于高强度钛合金而言，高温处理可能引发β相向α相的转变，导致晶粒粗化，从而降低其整体机械性能。因此，如何在不损害合金核心性能的前提下，实现有效的表面氮化，成为研究的关键问题。

在本研究中，科研人员探讨了在不同氮气压力条件下（1 Pa和10? Pa）进行氮化处理对VT22合金微观结构和表面机械性能的影响。实验中，合金样品在标准强化热处理条件下（即分别在820 °C、750 °C和600 °C下保温6小时）进行氮化处理。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，结合X射线衍射分析（XRD），研究人员发现，在氮化过程中，合金表面形成了连续的TiN化合物层，该层由α”-Ti（N）应变诱导马氏体支撑，并与材料核心之间由α-Ti（Al,N）和Ti?Al（N）晶粒构成的链状结构分隔。TiN层的总厚度在1 Pa氮气压力下约为0.5 μm，在10? Pa下则达到1.5 μm。这一显著的层厚变化，使得合金表面硬度提升了两到三倍，分别达到10 GPa和15 GPa。这种硬度的提升，直接增强了合金的耐磨性，使其在高负荷和摩擦环境下表现更加稳定。

进一步的研究表明，氮化处理不仅提高了表面硬度，还显著扩大了强化区域的深度。在10? Pa氮气压力下，强化区域可深入至材料内部约45 μm，而在1 Pa条件下则约为30 μm。这种深度的增加，可能是由于氮气在α-Ti晶粒中的扩散作用，使得氮元素能够渗透到更深层次，从而在材料内部形成更广泛的强化结构。这表明，氮化处理不仅改变了材料表面的性质，还对其内部结构产生了深远的影响，为提高合金整体性能提供了新的思路。

在实际应用中，VT22合金的氮化处理具有重要的工程意义。由于其在热处理后的高抗拉强度和良好的延展性，氮化处理能够在不增加材料制造成本的前提下，显著提升其表面性能。这一特性对于航空工业尤为重要，因为许多关键部件的制造和维护成本较高，而提高其表面耐磨性可以有效延长使用寿命，减少更换频率，从而降低长期运营成本。此外，氮化处理相较于传统的铬电镀等表面处理技术，具有更低的环境影响。铬电镀过程中通常涉及含有有毒Cr(VI)离子的电解液，这些离子在废液处理过程中可能对环境造成污染。而氮化处理则主要依赖于氮气，无需使用有害化学物质，因此更加环保。

从实验结果来看，氮化处理在10? Pa氮气压力下对VT22合金的耐磨性提升尤为显著，其耐磨性提高了四十倍。这一结果表明，通过优化氮化处理的气体动力学参数，可以在不牺牲材料核心性能的情况下，实现表面性能的显著改善。这为未来开发适用于高强度钛合金的表面处理技术提供了理论支持和实验依据。

值得注意的是，氮化处理的温度和时间参数对于材料性能的影响同样不可忽视。在本研究中，样品在820 °C、750 °C和600 °C下分别保温6小时，这种逐步降温的处理方式有助于控制合金的微观结构演变。通过这种热处理与氮化处理的结合，研究人员能够实现对材料内部和表面的双重优化，从而在保持其高强度的同时，显著提升其表面硬度和耐磨性。这一方法的可行性，为其他高强度钛合金的表面处理提供了借鉴。

此外，研究还指出，氮化处理对VT22合金的摩擦系数和表面硬度的影响具有一定的依赖性。在不同的氮气压力条件下，摩擦系数的变化趋势和表面硬度的提升幅度存在差异。这表明，氮化处理的工艺参数需要根据具体应用需求进行调整，以实现最佳的表面性能。例如，在需要更高耐磨性的应用中，可以优先选择较高的氮气压力，而在对摩擦系数有特殊要求的场景下，可能需要结合其他处理手段进行综合优化。

在微观结构层面，氮化处理对VT22合金的影响是多方面的。除了形成TiN层和α”-Ti（N）马氏体外，氮化过程中还发生了氮元素在α-Ti晶粒中的扩散。这种扩散不仅影响了材料的表面硬度，还可能对材料的内部结构产生一定的改变。通过EDS（能量色散X射线光谱）测量，研究人员发现氮元素能够渗透到α-Ti晶粒中，从而形成Ti（Al,N）和Ti?Al（N）等氮化物。这些氮化物的形成，进一步增强了材料的表面硬度和耐磨性，同时可能对材料的抗疲劳性能产生积极影响。

从材料科学的角度来看，VT22合金的氮化处理为高强度钛合金的表面改性提供了一种可行的解决方案。传统上，钛合金的表面处理技术受限于其低耐磨性，而氮化处理则能够在不改变材料内部结构的前提下，实现表面性能的显著提升。这不仅有助于提高航空部件的使用寿命，还能够减少维护成本，提高整体经济效益。

然而，尽管氮化处理在提升VT22合金表面性能方面表现出色，其实际应用仍然面临一些挑战。例如，如何在不同温度和压力条件下精确控制氮化层的形成，以避免过度氮化导致材料脆性增加，是需要进一步研究的问题。此外，氮化处理的时间和温度参数需要与材料的热处理工艺相匹配，以确保其整体性能不受影响。因此，在实际工程应用中，需要对氮化处理的工艺参数进行系统优化，以实现最佳的表面性能和材料稳定性。

综上所述，VT22合金的氮化处理为提高其表面机械性能提供了一种有效的方法。通过在不同氮气压力条件下进行处理，研究人员发现，氮化层的形成和扩散深度对材料的硬度和耐磨性具有重要影响。这一研究成果不仅有助于理解高强度钛合金的表面改性机制，还为航空工业中关键部件的制造和维护提供了新的技术路径。未来，随着对氮化处理工艺的进一步优化，VT22合金在航空领域的应用前景将更加广阔。