Bei der Vakuumgasaufkohlungsmethode wird das Werkstück in einer Vakuumumgebung in eine Aufkohlungsatmosphäre gebracht und über einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Bei hohen Temperaturen zersetzt sich das Aufkohlungsgas und erzeugt aktive Kohlenstoffatome, die auf der Materialoberfläche diffundieren und eine modifizierte Schicht bilden. Auf der Oberfläche der Titanlegierung TC21 bilden sich Verbindungen wie TiC, und in der Verbindungsschicht werden keine wasserstoffhaltigen Phasen nachgewiesen. Es wurde außerdem festgestellt, dass die Oberflächenhärte der TC21-Titanlegierung im Vergleich zum Substrat um das 2,7-fache zunahm und sich der Verschleißmechanismus von adhäsivem Verschleiß zwischen Ti--basierten/Ti-Kugeln zu abrasivem Verschleiß und Abplatzungsverschleiß zwischen den Ti--basierten/TiC-Kugeln änderte, was die Verschleißfestigkeit der Titanlegierung deutlich verbesserte. Nach der schrittweisen Aufkohlungsbehandlung mit Vakuumgas auf der Titanlegierung Ti6Al4V bildete sich auf der Oberfläche eine mikroporöse TiC-Keramikschicht mit einem Mikrohärtewert von 778 HV, etwa 2,3-mal höher als der des Substrats. Die TiC-Keramikphase hat eine feine Struktur und gehört zu einer Phase mit hoher Härte, die die Oberflächenfestigkeit und Scherfestigkeit der Titanlegierung erhöhen, die volumetrische Verschleißrate des Materials erheblich reduzieren und die tribologische Leistung der Legierung verbessern kann. Nach der Aufkohlung nimmt seine elektrochemische Korrosionsleistung leicht ab, aber es bleibt immer noch ein korrosionsbeständiges Material, was seine Verwendung nicht beeinträchtigt. Die Mikrostruktur der Keramikschicht auf der Oberfläche der Titanlegierung Ti6Al4V ist in Abbildung 1 dargestellt.
Bei der Plasmaaufkohlung wird das Aufkohlungsgas mit Ionen beschossen, wodurch sich die Aufkohlungsatmosphäre zersetzt und aktive Kohlenstoffatome entstehen. Durch Anpassen des Stroms kann die Kohlenstoffkonzentration in der Oberflächenschicht des Materials gesteuert werden, wodurch eine Oberflächenmodifizierung erreicht wird, ohne dass ein Instrument zur Kontrolle des Kohlenstoffpotentials erforderlich ist. Nach der Plasmaaufkohlung der Titanlegierung Ti6Al4V bildet sich auf der Oberfläche eine etwa 150 μm dicke aufgekohlte Schicht aus TiC- und V4C3-Phasen. Seine Mikrohärte erhöht sich im Vergleich zum Substrat um das Vierfache und erreicht etwa 1600 HV. Die harten Karbidphasen sind auf der Oberfläche der Titanlegierung verteilt, was die Verschleißfestigkeit deutlich verbessert und die Ermüdungslebensdauer verlängert.
