鈦是一種在地殼中儲量豐富的元素（在元素含量中居第 10 位），其含量超過地殼質量的 0.4%，并且由于鈦及其合金具有優異的物理、力學性能，在各行各業尤其是航空工業中應用廣泛，被譽為“太空合金”。
 

圖 1 波音 777 飛機機身使用材料示意圖^[1]
 

鈦合金按相組成可分為：密排六方結構 (HCP) 的 α 型鈦合金（國內牌號 TA）、兩相混合的 α+β 型鈦合金（國內牌號 TC）和體心立方結構 (BCC) 的 β 型鈦合金 (國內牌號 TB)。

Ti-6Al-4V（UNS 編號 R56400，有時也稱為 TC4 或 Ti64），是一種具有高比強度和優異耐腐蝕性的 α-β 鈦合金。它是最常用的鈦合金之一，廣泛應用于需要低密度和出色耐腐蝕性的領域，例如航空航天工業和生物力學應用（植入物和假肢）等。與更傳統的不銹鋼和鈷基合金相比，鈦合金作為生物材料的使用越來越多，因為它們具有較低的模量、優異的生物兼容性和更強的耐腐蝕性。

圖 2 Ti-6Al-4V 的 SEM 顯微結構圖

Ti-6Al-4V 合金經過熱處理以改變其微觀結構中 α 和 β 相的數量，微觀結構將根據確切的熱處理和加工方法而顯著變化（三種常見的熱處理工藝是軋機退火、雙相退火和固溶處理和時效）。借助飛納臺式掃描電鏡的 EDS-mapping 功能，可以獲得各相中元素含量、分布狀態，通過不同相中相穩定元素含量的差異（α 相中常固溶 Al、Sn，β 相中常固溶 V、Cr 等）及 BSE 圖片的襯度差異能夠分析 α 相和 β 相的微觀結構。

圖 3 Ti-6Al-4V 的 EDS-mapping 分析

雖然鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、耐熱性好等諸多優點，但單一的鈦合金材料在實際應用中也存在很多缺點，比如表面硬度較低、摩擦系數高、易磨損、高溫（600 ℃ 以上）易氧化等^[2,3]。這使鈦合金作為關鍵運動副零部件，尤其是在高溫環境工作時，表面易發生氧化腐蝕和嚴重磨損，在生產應用中，常需要通過表面處理技術，使鈦合金在保持高比強度的同時，具有優異的耐磨和高溫抗氧化性能^[4]。

圖 4 Ti-6Al-4V 的 MoSi₂ 鍍層 SEM 圖

新型高溫材料 MoSi₂ 具有優良的高溫抗氧化性能且硬度高，可作為 Ti-6Al-4V 合金表面的抗氧化涂層。但高溫下該涂層與基體合金的界面穩定性較差，Si 元素的內擴散會導致 MoSi2 涂層快速退化，從而降低其抗氧化性能以及縮短其服役壽命。此外，合金元素的外擴散會導致在基體中形成 Kirkendall 孔，因而降低其力學性能及其與涂層的界面結合強度。因此，需要在 MoSi₂ / Ti-6Al-4V 合金界面處制備阻擴散層，以延緩界面互擴散并提高涂層的服役壽命。采用 SEM 和 EDS 分析復合涂層的微觀形貌、相組成、化學成分和元素分布等，可以研究涂層的抗氧化性能，分析復合涂層的抗氧化機理，探討阻擴散層的作用機制及失效機理。
 

圖 5 Ti-6Al-4V 的 MoSi₂ 鍍層缺陷分析：如上圖所示，MoSi₂ 鍍層出現斷裂，斷裂處由于 MoSi₂ 涂層的失效出現 V、Ti 元素的外擴散，在斷裂處觀察到其氧化沉積物。


圖 6 Ti-6Al-4V 的 MoSi₂ 鍍層 Si 元素擴散失效分析：如上圖所示，MoSi₂ 鍍層由外至內觀察到 Si 元素含量含量的變化，說明 MoSi₂ 涂層中 Si 元素逐步擴散、涂層性能退化的過程。

參考文獻

[1] Council N . New Materials for Next-Generation Commercial Transports[J]. 1996.

[2] Ohidul Alam M, Haseeb A. Response of Ti-6Al-4V and Ti-24Al-11Nb alloys to dry sliding wear against hardened steel [J]. Tribology International, 2002, 35: 357-362.

[3] Guleryuz H, Cimenoglu H. Oxidation of Ti-6Al-4V alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 472: 241-246.

[4] 徐江寧. Ti6Al4V合金表面激光熔覆高溫抗氧化及耐磨復合涂層試驗與分析[D]. 蘇州大學.