偏置电压优化实现Ti-6Al-4V钛合金高效低温活性屏等离子渗氮

针对钛合金低温渗氮过程中氮化物层形成缓慢的难题，研究人员通过优化活性屏等离子渗氮(ASPN)的偏置电压参数，在500-600°C低温条件下实现了Ti-6Al-4V合金6μm厚化合物层的高效制备。研究发现400V偏置电压最佳平衡了氮化物沉积与溅射蚀刻效应，其渗氮效率显著优于传统等离子渗氮技术，为钛合金表面强化提供了新方案。

　　

钛合金因其优异的比强度和耐腐蚀性广泛应用于航空航天等领域，但表面硬度和耐磨性不足制约了其性能发挥。传统等离子渗氮需800°C以上高温，易导致基体晶粒粗化；而低温渗氮又面临扩散动力学缓慢、氮化物层过薄的技术瓶颈。尽管活性屏等离子渗氮(ASPN)技术通过"溅射-沉积-扩散"机制能缓解边缘效应，但现有研究多局限于≤250V低偏置电压，更高电压对渗氮效率的影响尚不明确。

国家自然科学基金支持的研究团队针对上述问题，系统探究了400-800V偏置电压对Ti-6Al-4V合金ASPN处理的影响。通过优化200Pa气压和400V偏置电压参数，在600°C/20h条件下成功制备出6.5μm厚氮化物层，较传统方法厚度提升3倍以上。该成果发表于《Thin Solid Films》，为钛合金低温表面强化提供了重要技术突破。

研究采用商业Ti-6Al-4V合金经600°C/4h退火处理，通过机械研磨和超声波清洗制备样品。使用配备金属活性屏的ASPN系统，在N₂
-H₂
混合气氛中分别施加400V和800V偏置电压，于500-600°C进行渗氮处理。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和显微硬度计等分析渗层结构性能。

ASPN of the TI-6Al-4V titanium alloy at 800 V bias
研究发现800V高偏压导致显著溅射蚀刻效应，600°C处理20h仅形成3.5μm渗层，且表面TiN相含量低于400V处理组。高能离子轰击造成表面粗糙度增加，部分区域出现剥落现象。

Effects of bias voltage on ASPN
机制研究表明（图10），400V偏置电压最佳平衡了氮化物沉积与溅射蚀刻：一方面加速N⁺
离子向样品表面迁移，促进TiN沉积；另一方面避免过度溅射破坏渗层。XPS分析证实400V处理表面活性氮原子浓度比800V处理高37%。

Conclusions
该研究证实400V偏置电压可使600°C低温ASPN的渗氮效率提升至0.325μm/h，较传统方法提高4倍。形成的6.5μm渗层包含连续TiN/Ti₂
N化合物层和扩散区，表面硬度达1200HV_0.05
。研究首次阐明高偏压（>400V）会增强溅射效应而降低渗氮效率，为钛合金表面工程参数优化提供了理论依据。

这项工作的创新性在于：首次在无表面纳米化预处理条件下实现钛合金低温高效渗氮；建立偏置电压与渗氮效率的定量关系；开发的ASPN工艺可直接应用于复杂形状工件。研究成果对延长钛合金部件在苛刻工况下的服役寿命具有重要工程价值。