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常规钛合金在一定的气压、温度和工作条件下会发生氧化和燃烧,而且蔓延速度很快,俗称之为“钛火”。钛合金的可燃性限制了其在某些服役条件下的应用。阻燃钛合金的研究与应用已经取得一些成就,但无论在阻燃机理研究及生产开发应用上都有待进一步展。阻燃钛合金比较突出的问题是熔炼困难、加工性能差、整体力学性能降低等。
针对以上问题,本文采用双层辉光等离子渗金属技术在钛合金表面进行渗铌处理,在常规钛合金表面制备Ti-Nb阻燃合金层。其优点是阻燃功能由表面阻燃合金层承担,整体力学则靠基体钛材承担,保持了钛合金比强度高等优点；合金用量较小,大大降低了阻燃钛合金的成本。TC11表面渗Nb后用光学电镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)分析了改性层的显微组织、化学成分及其相组成,并测试了其弹性模量、显微硬度、高温和常温摩擦磨损性能、抗高温氧化性能及阻燃性能。通过系统研究了各工艺参数对合金层形成的影响,得出了等离子渗Nb优化工艺参数为:温度:T=900℃～950℃；时间:t=3h；气压:P=40Pa;极间距:d=20mm；源极电压:Vs=900～1000V;阴极电压:Vc=300～450V。在此条件下形成的表面改性层有效厚度接近18μm,Nb元素含量由表及里均匀下降,渗层主要由Nb在β-Ti中形成的置换围溶体相及AlNb2相组成。TC11渗Nb后的表面纳米硬度为6.71GPa,为基体的1.9倍；弹性模量为161GPa,相较于基体略有降低。高温氧化试验表明,650℃、750℃和850℃下,渗Nb试样抗高温氧化性能得到较大的提高。650℃、750℃下渗Nb试样表面由Nb2O5和TiO2组成,TC11表面则是TiO2和Al2O3。磨损试验表明Ti-Nb合金层摩擦系数较基体降低,比磨损率较基体大幅度下降。烧蚀试验表明基体的烧蚀时间为136s,渗Nb试样的烧蚀时间为220s,为基体的1.62倍。烧蚀后TC11基体表面损坏严重,有裂纹出现,而渗Nb试样则能保持表面基本完整,说明渗Nb合金层具有良好的阻燃性能。