掃描電鏡在鈦合金表面鍍層分析中的應(yīng)用

鈦是一種在地殼中儲量豐富的元素（在元素含量中居第 10 位），其含量超過地殼質(zhì)量的 0.4%，并且由于鈦及其合金具有優(yōu)異的物理、力學(xué)性能，在各行各業(yè)尤其是航空工業(yè)中應(yīng)用廣泛，被譽為“太空合金”。
 

圖 1 波音 777 飛機機身使用材料示意圖^[1]
 

鈦合金按相組成可分為：密排六方結(jié)構(gòu) (HCP) 的 α 型鈦合金（國內(nèi)牌號 TA）、兩相混合的 α+β 型鈦合金（國內(nèi)牌號 TC）和體心立方結(jié)構(gòu) (BCC) 的 β 型鈦合金 (國內(nèi)牌號 TB)。

Ti-6Al-4V（UNS 編號 R56400，有時也稱為 TC4 或 Ti64），是一種具有高比強度和優(yōu)異耐腐蝕性的 α-β 鈦合金。它是最常用的鈦合金之一，廣泛應(yīng)用于需要低密度和出色耐腐蝕性的領(lǐng)域，例如航空航天工業(yè)和生物力學(xué)應(yīng)用（植入物和假肢）等。與更傳統(tǒng)的不銹鋼和鈷基合金相比，鈦合金作為生物材料的使用越來越多，因為它們具有較低的模量、優(yōu)異的生物兼容性和更強的耐腐蝕性。

圖 2 Ti-6Al-4V 的 SEM 顯微結(jié)構(gòu)圖

Ti-6Al-4V 合金經(jīng)過熱處理以改變其微觀結(jié)構(gòu)中 α 和 β 相的數(shù)量，微觀結(jié)構(gòu)將根據(jù)確切的熱處理和加工方法而顯著變化（三種常見的熱處理工藝是軋機退火、雙相退火和固溶處理和時效）。借助飛納臺式掃描電鏡的 EDS-mapping 功能，可以獲得各相中元素含量、分布狀態(tài)，通過不同相中相穩(wěn)定元素含量的差異（α 相中常固溶 Al、Sn，β 相中常固溶 V、Cr 等）及 BSE 圖片的襯度差異能夠分析 α 相和 β 相的微觀結(jié)構(gòu)。

圖 3 Ti-6Al-4V 的 EDS-mapping 分析

雖然鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、耐熱性好等諸多優(yōu)點，但單一的鈦合金材料在實際應(yīng)用中也存在很多缺點，比如表面硬度較低、摩擦系數(shù)高、易磨損、高溫（600 ℃ 以上）易氧化等^[2,3]。這使鈦合金作為關(guān)鍵運動副零部件，尤其是在高溫環(huán)境工作時，表面易發(fā)生氧化腐蝕和嚴(yán)重磨損，在生產(chǎn)應(yīng)用中，常需要通過表面處理技術(shù)，使鈦合金在保持高比強度的同時，具有優(yōu)異的耐磨和高溫抗氧化性能^[4]。

圖 4 Ti-6Al-4V 的 MoSi₂ 鍍層 SEM 圖

新型高溫材料 MoSi₂ 具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能且硬度高，可作為 Ti-6Al-4V 合金表面的抗氧化涂層。但高溫下該涂層與基體合金的界面穩(wěn)定性較差，Si 元素的內(nèi)擴散會導(dǎo)致 MoSi2 涂層快速退化，從而降低其抗氧化性能以及縮短其服役壽命。此外，合金元素的外擴散會導(dǎo)致在基體中形成 Kirkendall 孔，因而降低其力學(xué)性能及其與涂層的界面結(jié)合強度。因此，需要在 MoSi₂ / Ti-6Al-4V 合金界面處制備阻擴散層，以延緩界面互擴散并提高涂層的服役壽命。采用 SEM 和 EDS 分析復(fù)合涂層的微觀形貌、相組成、化學(xué)成分和元素分布等，可以研究涂層的抗氧化性能，分析復(fù)合涂層的抗氧化機理，探討阻擴散層的作用機制及失效機理。
 

圖 5 Ti-6Al-4V 的 MoSi₂ 鍍層缺陷分析：如上圖所示，MoSi₂ 鍍層出現(xiàn)斷裂，斷裂處由于 MoSi₂ 涂層的失效出現(xiàn) V、Ti 元素的外擴散，在斷裂處觀察到其氧化沉積物。


圖 6 Ti-6Al-4V 的 MoSi₂ 鍍層 Si 元素擴散失效分析：如上圖所示，MoSi₂ 鍍層由外至內(nèi)觀察到 Si 元素含量含量的變化，說明 MoSi₂ 涂層中 Si 元素逐步擴散、涂層性能退化的過程。

參考文獻(xiàn)

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[2] Ohidul Alam M, Haseeb A. Response of Ti-6Al-4V and Ti-24Al-11Nb alloys to dry sliding wear against hardened steel [J]. Tribology International, 2002, 35: 357-362.

[3] Guleryuz H, Cimenoglu H. Oxidation of Ti-6Al-4V alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 472: 241-246.

[4] 徐江寧. Ti6Al4V合金表面激光熔覆高溫抗氧化及耐磨復(fù)合涂層試驗與分析[D]. 蘇州大學(xué).