CN102409282A - 一种钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法，包括如下步骤：(1)、采用常规设备和方法对TiAl基合金表面进行表面纳米化；(2)、对表面纳米化后TiAl基合金进行500℃～800℃低温渗碳，在样品表面制备出4～9um厚的渗碳层。本发明是一种有效改善TiAl基合金的表面结构，提高其疲劳抗性、耐磨耐腐蚀性能的成本低、效率高的钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法。

Description

一种钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法

技术领域

本发明涉及一种表面渗碳方法，特别是涉及一种应用于钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳处理方法。

背景技术

TiAl基金属间化合物由于其自身的原子长程有序排列和特殊的键合方式，表现出与传统合金材料截然不同的优异的力学性能。但是其在室温下的拉伸塑性和断裂韧性较低，这是因为在金属间化合物的长程有序结构中，可开动的滑移系数目有限，超结构位错柏氏矢量大，位错交滑移困难。因此，不同于传统合金材料，TiAl基合金在常温下主要以机械孪晶变形为主，而且Al含量越低，孪生在变形中的作用越明显，只有在提高变形温度后，受热激活的作用，各种位错的可动性得以提高，才能表现出一定的高温塑性。而且，大部分的失效过程发生在材料表面，包括疲劳断裂、侵蚀疲劳、磨损和腐蚀等等，这些失效过程都对材料表面层的结构和性能十分敏感。因此，有效地改善TiAl基合金的表面结构将有助于优化其服役性能、促进其工业化、市场化应用并有效发挥这种材料的优异性能。

表面渗碳是一种传统的提高材料表面应用性能的化学热处理技术，方法简单，处理效果优良，广泛用于金属材料的生产应用方面。碳是对TiAl基合金耐磨性及抗高温氧化性均产生有益作用的元素之一。在TiAl基合金表面形成碳化物等合金层是提高耐磨性的最简单和有效的途径。本实验室在上世纪90年代就开展了利用渗碳法在TiAl基合金表面形成碳化物层以提高其抗高温氧化性和耐磨性的研究工作。表面渗碳是一种非常稳定的渗碳过程，在适当的温度(1193K、1233K或1273K)对TiAl基合金进行表面渗碳，可得到一层均匀的渗碳层。

近年来，太原理工大学、南京航空航天大学、长安大学、北京科技大学等高校也就TiAl基合金的表面渗碳(碳氮共渗、铌碳共渗等)开展了一些有意义的探索性研究，并在其高温抗氧化和耐磨损等性能的改良方面取得一定的成果。但是对于TiAl基合金的渗碳处理所需要的条件较为苛刻，因温度较高、处理时间较长，而大大增加了生产成本，急需一种简便的方法来解决这个难题。

由卢柯和吕坚等学者提出的表面纳米化技术被认为是今后一段时间可将纳米材料应用于工程实际的重要技术之一。该技术是在直接与环境接触的材料表面制备出一定厚度的与基体材质相同但具有纳米晶体结构的表面层，从而提高工程材料的抗疲劳、耐腐蚀、耐摩擦磨损等性能。

将表面纳米化和表面渗碳处理方法相结合，可能是克服以上不利因素甚至改善传统的表面改性技术的一个重要途径，同时有可能获得更加优异的材料表层。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效改善TiAl基合金的表面结构，提高其疲劳抗性、耐磨耐腐蚀性能的成本低、效率高的钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法，包括如下步骤：

(1)、采用常规设备和方法对TiAl基合金表面进行表面纳米化；

(2)、对表面纳米化后TiAl基合金进行500℃～800℃低温渗碳，在样品表面制备出4～9um厚的渗碳层。

上述步骤(1)中TiAl基合金表面纳米化的方法是：步骤如下：

(1)、将钛铝基金属间化合物材料线切割为样品；

(2)、对样品表面进行清洗，然后烘干；

(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为200转/分～350转/分，使用耐磨钢球尺寸范围为5mm～12mm，使用球料质量比范围为10∶1～40∶1，球磨时间范围为6小时～24小时。

采用上述技术方案的钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法，TiAl基合金表面纳米化后由于表面纳米晶之间所形成的高体积分数的晶界、高密度的位错空位以及参与的压应力场为元素扩散提供了理想的通道，增加处理表面的“活化中心”，从而降低固体渗碳的温度、加快渗碳速率及提高渗层深度和浓度，有效改善TiAl基合金固体渗碳的效果，提高其使用性能。本发明有效改善TiAl基合金的表面结构，提高其疲劳抗性、耐磨耐腐蚀性能，是一种成本低、效率高的渗碳处理方法，通过预先对TiAl基合金实施表面纳米改性，实现低温、快速、渗层更深更浓的渗碳处理。本发明的有益效果是有效降低渗碳温度，保护渗碳装置，节能环保。

综上所述，本发明是一种有效改善TiAl基合金的表面结构，提高其疲劳抗性、耐磨耐腐蚀性能的成本低、效率高的钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法。

附图说明

图1是表面纳米化处理与渗碳处理的流程图。

图2是渗碳处理试样表面纳米化前的纵剖面组织形貌照片。

图3是渗碳处理试样表面纳米化后的第一种纵剖面组织形貌照片。

图4是渗碳处理试样表面纳米化后的第二种纵剖面组织形貌照片。

图5是渗碳处理试样表面纳米化后的第三种纵剖面组织形貌照片。

图6是表面纳米化条件下经过渗碳处理的试样的表面硬度值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图1，本发明提供的钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法，包括如下步骤：

(1)、采用常规设备和方法对TiAl基合金表面进行表面纳米化；

(2)、对表面纳米化后TiAl基合金进行500℃～800℃低温渗碳，在样品表面制备出4～9um厚的渗碳层。

对比例1：

(1)、对TiAl基合金进行固体渗碳；

(1.1)、将TiAl基合金材料样品线切割为10mm×10mm×10mm的样品；

(1.2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内55度保温2个小时取出；

(1.3)对未进行表面纳米化的TiAl基合金进行900℃渗碳，在样品表面制备出1.5um厚的渗碳层。参见图2，图2、图3、图4和图5中1表示基体，2表示渗碳层。

实施例1：

(1)、对TiAl基合金表面进行表面纳米化；

(1.1)、将TiAl基合金材料样品线切割为8mm×8mm×8mm的样品；

(1.2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内60度保温2.5个小时取出；

(1.3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为200转/分，使用耐磨钢球尺寸范围为12mm，使用球料质量比范围为10∶1，球磨时间范围为6小时；

(2)、对表面纳米化后TiAl基合金进行800℃低温渗碳，在样品表面制备出4um厚的渗碳层。

参见图3、图4和图5，TiAl基合金表面纳米化后由于表面纳米晶之间所形成的高体积分数的晶界、高密度的位错空位以及参与的压应力场为元素扩散提供了理想的通道，增加处理表面的“活化中心”，从而降低固体渗碳的温度、加快渗碳速率及提高渗层深度和浓度，有效改善TiAl基合金固体渗碳的效果，提高其使用性能。Ti实施例2：

(1)、对TiAl基合金表面进行表面纳米化；

(1.1)、将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为10mm×10mm×10m的样品；

(1.2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内65度保温3个小时取出；

(1.3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为350转/分，使用耐磨钢球尺寸范围为6mm，使用球料质量比范围为20∶1，球磨时间范围为18小时；

(2)、对表面纳米化后TiAl基合金进行600℃低温渗碳，在样品表面制备出4.5um厚的渗碳层。

实施例3：

(1)、对TiAl基合金表面进行表面纳米化；

(1.1)、将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为12mm×12mm×12m的样品；

(1.2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内65度保温4个小时取出；

(1.3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为350转/分，使用耐磨钢球尺寸范围为5mm，使用球料质量比范围为40∶1，球磨时间范围为24小时；

(2)、对表面纳米化后TiAl基合金进行500℃低温渗碳，在样品表面制备出9um厚的渗碳层。

Claims (2)

1.一种钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)、采用常规设备和方法对TiAl基合金表面进行表面纳米化；

(2)、对表面纳米化后TiAl基合金进行500℃～800℃低温渗碳，在样品表面制备出4～9um厚的渗碳层。

2.根据权利要求1所述的钛铝基金属间化合物材料的低温表面渗碳方法，其特征是：上述步骤(1)中TiAl基合金表面纳米化的方法是：步骤如下：

(1)、将钛铝基金属间化合物材料线切割为样品；

(2)、对样品表面进行清洗，然后烘干；

(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为200转/分～350转/分，使用耐磨钢球尺寸范围为5mm～12mm，使用球料质量比范围为10∶1～40∶1，球磨时间范围为6小时～24小时。

Images