Wie lässt sich das Verschleißverhalten von Titanlegierungen verbessern?

Titanlegierungen zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit, gute Schweißbarkeit, ausgezeichnete Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit aus und haben sich mittlerweile zu einem hervorragenden Strukturmaterial für Anwendungen in Luft-, Land- und Meeresumgebungen entwickelt. Obwohl Titanlegierungen in verschiedenen Bereichen weit verbreitet sind, schränken ihre geringe Härte, schlechte Verschleißfestigkeit und ihr hoher Reibungskoeffizient ihre Anwendungen in der Tribologie stark ein.

Um die tribologischen Eigenschaften von Titanlegierungen zu verbessern und ihre Verschleißfestigkeit zu erhöhen, wurde eine Feststoffaufkohlungsbehandlung an der TA1-Legierung, der TC4-Legierung und der TC21-Legierung durchgeführt. Der Aufkohlungsprozess für Titanlegierungen ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Dicke der aufgekohlten Schicht und der TiC-Schicht in der TA1-Legierung nimmt mit höheren Aufkohlungstemperaturen und längeren Aufkohlungszeiten zu. Bei der TC4-Legierung nimmt die Dicke der Verbindungsunterschicht mit höheren Temperaturen und längeren Aufkohlungszeiten zu, aber die Gesamtdicke der aufgekohlten Schicht nimmt mit steigender Aufkohlungstemperatur ab. Ebenso nimmt die Dicke der aufgekohlten Schicht in der TC21-Legierung mit zunehmender Aufkohlungstemperatur ab. Bei Temperaturen von 1000 bis 1100 Grad wird das Wachstum der Verbindungsunterschicht in der TC4-Legierung durch das Wachstum intermetallischer Ti-Al-Verbindungen und die chemischen Reaktionen zwischen C und den intermetallischen Ti-Al-Verbindungen gesteuert. Die Bildung der zusammengesetzten Unterschicht hat eine Inkubationszeit; Nach diesem Zeitraum folgt die zusammengesetzte Unterschicht einem parabolischen Wachstumsgesetz. Die berechnete Diffusionsaktivierungsenergie beträgt 192,597 kJ/mol.

Nach der Aufkohlungsbehandlung erhöhte sich die Oberflächenhärte der TA1-Legierung, der TC4-Legierung und der TC21-Legierung im Vergleich zu den Originallegierungen um 350,99 %, 163,67 % bzw. 175,39 %. An den aufgekohlten Legierungen wurden Trockengleitreibungs- und Verschleißtests durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass im Vergleich zu den Originallegierungen die Verschleißraten der aufgekohlten TA1-Legierung, der TC4-Legierung und der TC21-Legierung um mehr als 98,44 %, 97,39 % bzw. 96,16 % abnahmen und sich die Verschleißfestigkeit der TC4-Legierung mit steigender Aufkohlungstemperatur verbesserte. Die Verschleißtestparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt.