表面纳米晶化与氮化温度对SLM Ti-6Al-4V微观组织演变及划痕失效的协同效应

《Surface and Coatings Technology》：Synergistic effects of surface nanocrystallization and nitriding temperature on microstructural evolution and scratch failure of SLM Ti-6Al-4V

　　

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  在650 °C下，SNC产生的1.95 μm层与800 °C下形成的层相当。
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  在550 °C下，TiN局部厚度大于Ti₂N，而在650 °C和800 °C下，Ti₂N表现出更大的局部厚度。
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  Ti₂N中的缺陷从550–650 °C下的局部周期性调制转变为800 °C下的平面缺陷。
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  SNC在所有氮化温度下均降低了最大渗透深度和残余深度。
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  梯度亚表层支撑延缓了黏聚开裂和广泛剥落的发生。

引言

Ti-6Al-4V合金因其优异的比强度和卓越的耐腐蚀性而被广泛应用于航空航天和生物医学领域[1], [2]。然而，该合金的硬度相对较低且耐磨性较差，在服役过程中容易发生表面退化，具体表现为磨损和微动疲劳。在关键承力部件（如飞机液压作动器和起落架系统）中，这些局限性已成为影响可靠性的关键因素[3], [4], [5], [6]。因此，开发有效的表面强化技术以提高Ti-6Al-4V的硬度和耐磨性，对于延长这些关键航空部件的使用寿命和可靠性至关重要。

在众多表面改性技术中，等离子氮化是一种有效的化学热处理工艺，能在钛合金表面形成高硬度氮化物层，显著提升耐磨性[7], [8]。与喷涂和电镀等涂层方法相比，由于PN形成的氮化层与基体之间具有更强的结合力，因此表现出更好的附着力和稳定性[9], [10]。然而，由于氮在α-Ti中的扩散速率较低，常规PN仅能形成有限的层厚。为了获得足够深的硬化层，该工艺通常需要在高温（高于800 °C）下长时间进行[11]，这可能导致晶粒显著长大和脆化等不良后果[12]。此外，过高的氮化温度会损害Ti-6Al-4V基体的韧性和疲劳性能[13]。因此，在实现显著表面硬化的同时不损害基体的微观结构完整性和力学性能，仍然是钛合金氮化领域面临的关键挑战。

选择性激光熔化（SLM）为航空航天行业提供了一种新型的材料加工途径。该技术能够高效地制造具有近净成形的复杂金属部件，并具有缩短生产周期和增强设计灵活性等独特优势[14], [15]。然而，SLM Ti-6Al-4V的微观结构与传统锻造件存在根本差异。其固有的逐层熔化和凝固过程常常导致元素偏析和微观缺陷的形成。这些独特的微观结构特征，包括高缺陷密度、亚稳非平衡相和残余微孔隙，不可避免地会调制氮化过程中的扩散动力学和相变行为。因此，SLM Ti-6Al-4V的氮化行为可能与传统锻造合金不同[16], [17], [18]。

表面纳米化（SNC）已被证明是提高钛合金氮化效率的有效策略。通过采用严重塑性变形技术（如喷丸处理（SP）和超声表面滚压（USRP）），SNC在不改变基体化学成分的情况下引入了纳米晶表层[19], [20], [21]。该层中丰富的晶界和位错充当快速扩散通道，显著提高了原子扩散速率[22], [23]。SNC预处理有效地缓解了氮化层过薄和加工时间过长的问题[24], [25]。例如，Zhang等人[26]在500 °C下实现了TA17合金层厚从1.8 μm增加到3.2 μm，而Sun等人[27]在650 °C下观察到经SNC处理的Ti-6Al-4V上形成了明显的TiN和Ti₂N化合物层。

以往的研究，包括我们自己的工作，已表明机械变形诱导的表面纳米化可以引入高密度的晶界、位错和其他非平衡缺陷，从而促进氮的传输，增加低温氮化层的厚度，并促进TiN/Ti₂N化合物层的形成[28], [29]。然而，Ti₂N层中纳米尺度缺陷结构随温度的演变规律仍了解不足，特别是从相对较低温度下局部有序或周期性调制结构向较高温度下平面缺陷的转变。此外，尽管SNC对氮化层生长和耐磨性能的有益效果已经得到证实，但SNC诱导的梯度亚表层结构如何影响在逐步增加的接触载荷下裂纹萌生、扩展以及从黏聚开裂向广泛剥落的转变仍不清楚。因此，阐明温度依赖性Ti₂N缺陷演变、SNC诱导的梯度亚表层结构与渐进式划痕失效行为之间的关系，对于理解等离子氮化SLM Ti-6Al-4V的局部力学完整性和承载响应仍然十分必要。

本研究重点关注Ti₂N内温度依赖的纳米尺度缺陷演变及其与氮化层划痕失效行为的关系。对所有六个试样进行了截面TEM/HRTEM分析，以识别Ti₂N晶粒形貌、局部调制和平面缺陷，同时采用逐步加载微划痕试验将梯度微观结构与裂纹萌生、剥落和基体参与进行关联。结合热力学计算和Ti—N相图，阐明了氮化温度和SNC对氮传输、氮化层生长、缺陷形成和划痕失效的耦合作用。这些发现为实现增材制造钛合金的有效低温表面强化提供了机理洞察和实验证据。

章节摘要

材料与前处理

采用Ti-6Al-4V合金作为基体材料。试样使用SLM系统（EP-M450, E-Plus-3D）制备。优化后的工艺参数设置如下：激光功率350 W，扫描速度1300 mm/s，粉末层厚度0.06 mm。初始尺寸为100 mm × 25 mm × 30 mm的成形块随后通过线切割加工（WEDM）切割成10 mm × 10 mm × 5 mm的试样。切割后，

喷丸处理前后SLM Ti-6Al-4V的微观结构

图1展示了SLM Ti-6Al-4V基体的TEM形貌。微观结构表现出典型的SLM特征，主要由细针状α′马氏体组成，呈篮编状排列。在晶粒尺度上，α-Ti晶粒宽度约为0.2至1 μm，长度达到微米级。图1(b)中标记了两个α相区域和一个β相区域，用于通过晶格条纹进行相识别。图1(c)展示了

氮化物形成与层演变的热力学分析

除了氮的传输外，来自N₂/H₂等离子气氛的氢也可能影响表面反应。然而，之前在同一SLM Ti-6Al-4V/SNC等离子氮化系统中获得的XRD结果表明，未检测到可探测的晶态TiH_x或TiH₂相，表明在当前条件下氢化物形成并不显著。尽管如此，未检测到可探测的氢化物衍射峰并不能完全排除溶解氢或微弱的氢相关效应。

结论

系统研究了SNC预处理和氮化温度对等离子氮化SLM Ti-6Al-4V微观结构演变、缺陷结构和划痕失效的影响。主要结论如下：

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  SP将原始的针状SLM微观结构转变为梯度细化结构。在0–5 μm和30–35 μm深度处的平均晶粒尺寸分别约为54.54 nm和87.36 nm，而在90–95 μm处的平均晶粒宽度约为

CRediT作者贡献声明

孙文博：原稿撰写、形式分析、数据整理。肖楚阳：审阅与编辑、调查研究。杨超：审阅与编辑、资源。刘海涛：审阅与编辑、资源。王俊彪：审阅与编辑、监督指导。司超润：审阅与编辑、方法论、资助获取。

资助

作者感谢中国航空科学基金会（编号：20240007053002）提供的财政支持。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能对本研究结果产生影响的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢重庆真诚树贸易有限公司为本研究制备SLM Ti-6Al-4V合金。作者还衷心感谢陕西材料分析研究中心的后秦和张芬在实验表征方面提供的技术协助。

Wenbo Sun|Chuyang Xiao|Chao Yang|Haitao Liu|Junbiao Wang|Chaorun Si