鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+b)型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能。比強(qiáng)度大。TC4的強(qiáng)度sb=1.012GPa，密度g=4.4*103，比強(qiáng)度sb/g=23.5，而合金鋼的比強(qiáng)度sb/g小于18。 鈦合金熱導(dǎo)率低。 鈦合金的熱導(dǎo)率為鐵的1/5、鋁的1/10，TC4的熱導(dǎo)率l=7.955W/m·K。

概述

線膨脹系數(shù)=7.89*10-6℃，比熱=0.612cal/g·℃。鈦合金的彈性模量較低。TC4的彈性模量E=110GPa，約為鋼的1/2，故鈦合金加工時(shí)容易產(chǎn)生變形。 TC4(Ti-6Al-4V)和TA7(Ti-5Al-2.5Sn)鈦合金，采用兩種注入方案進(jìn)行表面改性，試驗(yàn)表明，鈦合金經(jīng)離子注入后，提高了顯微硬度，顯著地降低了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，有效地提高了耐磨性.為探明其改性機(jī)理，對(duì)注入與未注入樣品進(jìn)行了X射線光電子能譜(XPS)分析，獲得滿意的結(jié)果.

試件制備及注入條件

1.1 試件制備

選航空用的TC4、TA7鈦合金，試件制成圓盤狀，尺寸為40*5mm，所有試件表面均拋光至鏡面.

1.2 離子注入條件

兩種鈦合金都分別采用兩種注入方案：

① 在TC4及TA7鈦合金試件上濺射鍍Ti，Ti膜總厚度為540nm(5400A).在鍍Ti膜過程中，同時(shí)用(N+ +N+2)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反沖注入，束流能量為50keV，束流密度為45μA/cm2，劑量為7*1017/cm2，靶室真空度為1.33*10-2Pa；

② 在①的基礎(chǔ)上，再注入C+，束流能量為40keV，劑量為3*1017/cm2.

硬度測(cè)量

用HXD-1000數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)量了注入與未注入試件的顯微硬度，測(cè)量載荷為4.9×10-2N，測(cè)量結(jié)果列于表1.

表1 顯微硬度測(cè)量結(jié)果

材料 表面狀態(tài) 顯微硬度/MPa 硬度提高倍數(shù)

未注入 2690 0

TC4 注入(N+ +N+2) 6399 1.38

注入(N+ +N+2)+C+ 3436 0.28

未注入 3133 0

TA7 注入(N+ +N+2) 4276 0.36

注入(N+ +N+2)+C+ 4073 0.30

從表1看出，離子注入后，試件的顯微硬度都有不同程度的提高，其中TC4鈦合金注入(N+ +N+2)混合束后硬度約提高1.4倍.

●TC4 熱膨脹系數(shù)：

TC4鈦合金具有優(yōu)良的耐蝕性、小的密度、高的比強(qiáng)度及較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、造船、汽車，醫(yī)藥等部門都得到成功的應(yīng)用。

●TC4鈦合金力學(xué)性能：

抗拉強(qiáng)度σb/MPa≥895,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力σr0.2/MPa≥825,伸長(zhǎng)率δ5(%)≥10,斷面收縮率ψ(%)≥25

●TC4鈦合金密度:

4.5（g/cm3）工作溫度-100～550（℃）

●TC4鈦合金化學(xué)成分:

TC4含鈦(Ti) 余量,鐵(Fe)≤0.30,碳(C)≤0.10,氮(N)≤0.05,氫(H)≤0.015,氧(O)≤0.20,鋁(Al)5.5～6.8,釩(V)3.5～4.5

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計(jì)算公式：（單位mm）

棒材：直*直徑*長(zhǎng)度*0.003542

管材：（外徑-壁厚）*壁厚*長(zhǎng)度*0.14

板材：長(zhǎng)度*寬度*厚度*4.51

鈦棒生產(chǎn)狀態(tài)：

熱加工狀態(tài)（R）冷加工狀態(tài)（Y）退火狀態(tài)（M）固溶狀態(tài)（ST）

鈦棒制造工藝：

海綿鈦-熔煉-鈦錠-開方-打磨-熱鍛-熱軋-扒皮-退火鈦黑皮棒-車光（磨光)-探傷-成品