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过渡金属在航空航大,生物医疗等方面具有广泛的应用,但在买际工况中会出现表面硬度低,易磨损,易氧化等问题而导致材料失效,造成巨大的经济损失。因此,在其表面制备防护层至关重要。渗碳因具有固态相变,原位反应,内延生长等优势,是材料表面改性的一种重要工艺,但传统渗碳技术制备的碳化物层会出现晶粒粗大、表面易碳沉积等问题。针对以上问题,本工作面向具有碳化物形成能力的过渡金属,提出一种间隙原子渗碳法,用于制备表面碳化物增强层。该方法选择含有间隙碳原子的固体为碳源,在热压条件下对具有碳化物形成能力的金属基体进行渗碳,最后在金属基体表面获得组织致密,内延生长,高体积分数的碳化物陶瓷层。本工作选用灰铸铁或高碳钢作为固体碳源,对以强碳化物形成金属钽、弱碳化物形成金属钼以及碳化物形成金属基合金Ti6A14V为代表的金属做表面渗碳。利用先进现代分析测试方法(XRD、SEM、EDS、TEM、EBSD)分析碳化物层的微观组织以及晶体学位向关系;通过维氏硬度计和纳米压痕仪对碳化物层不同方向的硬度进行测试,并研究了碳化物层与基体界面之间的结合强度。钽、钼以及钛合金表面碳化物层的成功制备,以及组织致密、内延生长、碳化物体积分数高的特点证明了间隙原子渗碳法可广泛应用于具有强、弱碳化物形成能力的纯金属及合金表面碳化物层的制备,为此类金属及其合金表面碳化物层的制备提供了一种新途径。研究发现间隙原子渗碳法制备的碳化物层主要具有以下特点:(1)硬质层组织致密,碳化物体积分数高。如金属钽表面碳化物层致密无孔,硬质层主要物相为TaC,含少许Ta2C以及未反应完的Ta.其中TaC 与Ta2C的体积分数接近99%;在钼基体表面同样可获得致密的碳化物层,Mo2C体积分数接近100%,几乎为纯陶瓷层;Ti6Al4V基体中含有其他元素,制备的致密层中TiC炭化物体积分数略微下降至约80%。(2)硬质层中碳化物晶粒细小,整体碳化物层呈梯度微观结构。如钽基体表面的硬质层中TaC晶粒尺寸随着深度从280nm增加到330mm,其晶粒形貌从等轴晶向柱状晶变化,呈现梯度微观结构;钼表面碳化物层由短轴为100nm,长轴为1μm的均匀Mo2C柱状晶组成;同样钛合金表面制备得到的碳化物层中TiC晶粒尺寸范围为100nm-1μm,且越靠近钛合金基体,TiC晶粒尺寸越大,整个碳化钛层为梯度结构。(3)碳化物层内延生长,膜基结合力好,且表面无碳沉积,硬度相比基体材料有明显改善。如金属钽表面的碳化物层的复合硬度为1900HV远高于基体的硬度(137HV);Ti6A14V表面碳化物层复合硬度约2400HV,为基体(400HV)的6倍。