稀土元素对TB2钛合金表面固体渗硼及渗硼层性质的影响

Due to the high strength, good plasticity and excellent cold working performance, β-type titanium alloys have great potential in the development of high-strength titanium alloy (σb ≥ 1400~1500 MPa). However, their low hardness, poor wear resistance and easy scuffing limit the industrial applications of titanium and titanium alloys. The surface boronizing treatment of titanium and titanium alloy is an effective mean to improve the surface properties. In this project, the boronizing layers of β-type titanium alloys TB2 are instigated to obtain the optimal boronizing process, including the influence of rare earth elements on the properties of boronizing layer, the crystal orientation of TiB whiskers and the substrate, and the growth mechanism of boronizing layer. The diffusion model of B atom in TB2 will be established. By using the first principles calculations, the formation energy, bond energy and diffusion coefficient are calculated when B atoms diffuse inTB2. Combining with the experimental results, the correctness of the diffusion model is verified and the growth mechanism of boronizing layer is analyzed. It can provide the theoretical basis for designing TB2 matrix composites with excellent surface properties. It is also of great scientific significance to expand the application scope of TB2 and enhance its service performance.

由于β型钛合金具有强度高，塑性好，冷加工性能优异等优点，使β型钛合金在开发高强度(σb ≥ 1400~1500 MPa)钛合金方面具有很大的应用潜力。但由于硬度低、耐磨性差、易咬死等缺陷使其应用受到限制。表面渗硼处理是提高钛及钛合金表面性能的一种有效手段。项目拟以β型钛合金TB2为研究对象，对稀土元素对渗硼层性能影响、TiB晶须与基体的晶体学位向关系以及渗硼层生长机理开展基础研究，获得最佳的渗硼工艺。建立B原子在TB2中的扩散模型，采用第一性原理计算B原子扩散的形成能、键能和扩散系数，结合实验结果，验证扩散模型的正确性，研究渗硼层生长机理。为设计表面性能优异的TB2基复合材料提供理论依据，对扩大TB2的应用范围、增强其服役性能具有重要的科学意义。

由于β型钛合金具有强度高，塑性好，冷加工性能优异等优点，使β型钛合金在开发高强度钛合金方面具有很大的应用潜力。但由于硬度低、耐磨性差、易咬死等缺陷使其应用受到限制。项目拟以β型钛合金TB2为研究对象，对稀土元素对渗硼层性能影响、TiB晶须与基体的晶体学位向关系以及渗硼层生长机理开展基础研究，获得最佳的渗硼工艺。建立B原子在TB2中的扩散模型，采用第一性原理计算B原子扩散的形成能、键能和扩散系数，结合实验结果，验证扩散模型的正确性，研究渗硼层生长机理。为设计表面性能优异的TB2基复合材料提供理论依据，对扩大TB2的应用范围、增强其服役性能具有重要的科学意义。研究得出以下结论：.(1) 正交实验结果表明稀土氧化物种类和含量对渗硼层厚度的影响比渗硼时间和温度要小得多。渗硼时间相同的条件下，渗硼温度高，渗硼层厚度厚；相同的渗硼温度下，渗硼时间长，渗硼层厚度厚。TB2合金稀土渗硼的最佳工艺参数为：渗硼温度1373K，渗硼时间20h，稀土种类为La2O3，稀土含量为4wt.%；(2) CeO2和La2O3的加入可以通过形成Ce(La)-B活性基团，提高Ti-B相的形核速率，提供更多的Ti晶格畸变和B原子扩散通道，有利于TiB晶须和TiB2层的生长，可大幅度提高TB2合金的表面硬度，使材料的耐磨性能提高，服役时间增长；稀土-B共渗后的TB2合金更耐腐蚀，且渗硼层的出现使材料在腐蚀过程更趋向于均匀腐蚀，局部腐蚀和点蚀减少，使TB2合金能在更严峻的工件条件下服役，延长其工作寿命；(3) β-Ti相沿(110)晶面生长，TiB晶须沿(111)晶面生长， TiB与Ti晶体学位向关系为{011}β-Ti//(001)TiB和<111>β-Ti//[010]TiB。TiB/Ti界面富集的V和Al元素阻碍了TiB晶须的垂直生长，使晶须显得短而粗；(4) B在β-Ti中是沿着四面体间隙的T-T路径进行扩散的，理论扩散模型计算得到的扩散系数与实验值的差异非常小；(5) 扩散模型d = kt0.5比扩散模型d2 = Dt更适合预测渗硼层的厚度；(6) CeO2或La2O3的加入可以提高晶体的成核速率Ti-B相，并提供更大的Ti晶格畸变和更多的B扩散通道，从而增加CeO2或La2O3包埋渗硼TB2合金中硼的扩散系数。