利用鈦-鋁之間的互擴散,通過鍍鈦滲氮的改性技術在ZL205A鋁合金表面制備出了高硬度高耐磨性的復合改性層。

　首先通過原理計算熱擴滲過程生成相的形成能,并通過計算原子擴散系數作為輔助,實現對鍍滲復合改性層的設計。采用磁控濺射方法在鋁合金表面鍍鈦,然后將預置鈦膜的鋁合金進行等離子滲氮,在其表面獲得復合改性層,采用XRD、SEM、EDS對鈦膜和復合改性層的相結構、形貌和成分進行分析,并對鍍滲復合改性層進行了硬度表征和摩擦磨損測試。

　原理計算結果表明,Ti-Al之間發生互擴散,且Ti的擴散系數遠大于鋁的擴散系數。在滲氮溫度下,鈦鋁化合物中Al3Ti的形成能低,最容易形成。Ti N0.3的形成能遠大于Al3Ti的形成能,且結合能的值很大,Ti N0.3比Al3Ti難形成,但是比Al3Ti更穩定。據此預測,鈦膜較厚時,通過鍍鈦滲氮的方法可形成表層為Ti N0.3,中間層為Al3Ti的復合改性層。鈦膜較薄時,改性層為單一的化合物Al3Ti層。通過磁控濺射的方法,在ZL205A鋁合金表面成功制備出一層致密且分布均勻的α-Ti,并且存在(002)晶面擇優取向,隨著鈦膜厚度增加,擇優取向趨勢增強。

　鍍鈦鋁合金滲氮后表層形成了梯度多相結構的復合改性層,最外層為Ti N0.3,中間層為Al3Ti。鍍鈦膜厚度較薄時,改性層只有Al3Ti,無Ti N0.3生成,鈦膜厚度增加,復合改性層中Ti N0.3層所占比例增加。Ti N0.3同樣在(002)晶面擇優取向,隨鈦膜厚度增加,擇優取向性增強,晶粒變得均勻且致密。復合改性層顯著提高了ZL205A鋁合金表面的硬度。鍍滲復合處理的鋁合金的硬度可達HV411,是固溶時效態鋁合金硬度的4.2倍。Ti N0.3存在(002)晶面擇優取向時,改性層的硬度提高。復合改性層的摩擦系數雖然提高,但是其磨損率降低。經鍍滲復合工藝處理的鋁合金,相比于固溶時效的鋁合金,磨損率分別降低了11.84%,47.13%和50.58%,可見鍍滲復合改性層顯著提高了鋁合金的耐磨性能。改性層的磨損機制主要為磨粒磨損,并伴隨有氧化磨損。