Titanlegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Leistung häufig verwendet, haben jedoch einen hohen Reibungskoeffizienten und sind empfindlich gegenüber adhäsivem Verschleiß und Reibverschleiß. Sie sind verschleißfest, entzünden sich bei hoher Temperatur und hoher Reibung leicht und sind bei hohen Temperaturen relativ schlecht oxidierbar. Diese Mängel beeinträchtigen die Sicherheit und Zuverlässigkeit ihrer Struktur erheblich und schränken ihre Anwendung stark ein. Daher müssen die Oberflächeneigenschaften von Titanlegierungen wie Verschleißfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und Korrosionsbeständigkeit dringend verbessert werden. Die Oberflächenmodifizierung von Titanlegierungen ist neben der Verbesserung der Zusammensetzung und des Herstellungsprozesses der Legierung die wirksamste Methode.

In den letzten Jahren hat sich die Technologie zur Oberflächenbehandlung mit Elektronenstrahlen rasant entwickelt. Durch die Einwirkung von Elektronenstrahlen mit hoher Energiedichte auf die Materialoberfläche können physikalische, chemische oder mechanische Eigenschaften erreicht werden, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu erreichen sind. Die Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen der Materialoberfläche können deutlich verbessert werden. Die Oberflächenbehandlung von Titanlegierungen mit gepulsten Elektronenstrahlen mit hohem Strom und niedriger Energie hat gute Ergebnisse erzielt. MCC East Engineering & Technology Co.

Das im Experiment verwendete Material war die Titanlegierung TA15 (Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V). Nachdem die Probenoberfläche poliert worden war, wurde sie durch gepulste Hochstrom-Elektronenstrahlen modifiziert. Die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls betrug 27 kV, der Abstand der Zielelektrode 80 mm, die Pulsanzahl betrug 10 und die Intervallzeit 45 s.

Der Härtetest der Proben zeigt, dass mit zunehmender Tiefe der Härtewert zuerst abnimmt, dann zunimmt und schließlich zu einem konstanten Wert tendiert. Diese spezielle Schwingungskurvenverteilung kann wie folgt erklärt werden: Unter der gepulsten, hochenergetischen, schnellen Bestrahlung entstehen thermische Schockwellen in der Energieabsorptionsschicht des Materials und werden zurückreflektiert, wenn sie auf die Schnittstelle treffen. Durch mehrfache Bestrahlung kommt es zur Interferenz und Überlagerung der Spannungswellen, wodurch ein komplexer Spannungsverteilungszustand und eine spezielle Verteilungsform der Mikrohärte im Abschnitt entstehen.

Nach der Behandlung der Probe mit dem Elektronenstrahl ist das Verschleißvolumen dreimal höher als bei der ursprünglichen Probe. Dies zeigt, dass die Verschleißfestigkeit der Titanlegierung TA15 durch die Elektronenstrahlbehandlung verbessert wurde. Der Grund dafür können die folgenden drei Aspekte sein: (1) Die hochenergetische Elektronenstrahlung wird auf einer kleinen Fläche der Materialoberfläche abgelagert, wodurch die Temperatur des Materials schnell über die Phasenübergangstemperatur und Schmelztemperatur ansteigt und die Wärmeleitfähigkeit der Matrix dann ultraschnell abgekühlt wird (ca. 109 k/s), wodurch die Materialoberfläche abgeschreckt und die feste Lösung verstärkt wird, wodurch die Verschleißfestigkeit der Oberfläche erhöht wird. (2) Der schnelle Verfestigungsprozess der Elektronenstrahlen kann die Oberflächenkörnung des Materials verfeinern und so die Verschleißfestigkeit des Materials verbessern. (3) Wenn der Elektronenstrahlimpuls auf die Oberfläche des Materials einwirkt, beginnt die Temperatur schnell anzusteigen und die komprimierte thermische Spannungswelle breitet sich aufgrund der Einschränkung der schnellen Wärmeausdehnung der Materialoberfläche nach innen aus. Restspannung wird als Druckspannung verteilt, was sich günstig auf die Verschleißfestigkeit auswirkt.

Der Korrosionsleistungstest zeigt, dass das Korrosionspotenzial der Originalprobe von -258,3 mV auf -107,5 mV ansteigt, der Polarisationswiderstand von 0,796 K/cm2 auf 2,424 K/cm2 zunimmt und der Selbstkorrosionsstrom im Vergleich zur Originalprobe deutlich abnimmt. Dies weist darauf hin, dass die Korrosionsbeständigkeit der Probe deutlich verbessert ist. Die Hauptgründe für die Verbesserung der Korrosionseigenschaften sind folgende :(1) Die hohe Temperatur, die durch die Bestrahlung der Oberfläche der Probe mit dem gepulsten Elektronenstrahl mit hohem Strom verursacht wird, kann dazu führen, dass die an der Oberfläche des Materials adsorbierten oder anhaftenden Verunreinigungen verdampfen oder sich auflösen, was eine reinigende Wirkung hat; (2) Das schnelle Schmelzen der Materialoberfläche, gefolgt von einer Verfestigung mit der gleichen hohen Geschwindigkeit, hemmt die Gleichgewichtskristallisation, was zu einer dichten, nicht im Gleichgewicht befindlichen Mikrostruktur und einer gleichmäßigen Zusammensetzung führt, was auch das Auftreten von Selbstkorrosion bis zu einem gewissen Grad hemmt; (3) Das schnelle Abkühlen der Materialoberfläche führt zur Verfeinerung der Oberflächenkörnung, was zu einer Verringerung des Verhältnisses zwischen Anoden- und Kathodenfläche und zur Verringerung der Korrosionsrate führt.