CN102912309A - 一种基于离子注入表面改性提高tc4钛合金抗空蚀性能的方法 - Google Patents
一种基于离子注入表面改性提高tc4钛合金抗空蚀性能的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102912309A CN102912309A CN2012104428086A CN201210442808A CN102912309A CN 102912309 A CN102912309 A CN 102912309A CN 2012104428086 A CN2012104428086 A CN 2012104428086A CN 201210442808 A CN201210442808 A CN 201210442808A CN 102912309 A CN102912309 A CN 102912309A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- titanium alloy
- ion implantation
- cavitation
- cavitation erosion
- ion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明公开了一种利用离子注入法提高TC4钛合金抗空蚀性能的方法，目的是提高TC4钛合金抗空蚀性能，拓展其在水力机械、船舶与海洋工程领域的应用。将抛光好的TC4钛合金的试样放入MEVVA源离子注入机内，以高纯铌棒为离子注入源，进行离子注入Nb元素。然后将注入Nb元素的TC4钛合金进行空蚀实验，测量其累积失重并观察空蚀后的表面形貌。结果表明，在TC4钛合金表面注入Nb元素后，累积失重量相较于原始试样均有所减少，抗空蚀性能有明显的提高。
Description
技术领域
本发明涉及离子注入改性表面工程技术领域，更加具体地说，尤其涉及一种离子注入钛合金以改善其抗空蚀性能的技术。
背景技术
空蚀磨损是在一定温度环境条件下，材料因液体介质局部压力变化致使空泡形成和溃灭而产生的破坏。19世纪后期，在使用蒸汽轮机驱动螺旋桨时，就在螺旋桨叶片处发现了空蚀现象。长期以来，空蚀严重影响轮船螺旋桨、发动机缸套、阀门、水泵、水轮机过流部件、钻井机械等的性能和使用寿命。目前，涉及空蚀磨损的领域除了船舶、水工、机械和化工外，还拓展到发电、原子能、宇航甚至生物和医学等领域。由于空蚀磨损而导致机械设备效率下降，甚至危及设备的正常运行，造成十分惊人的能源和材料损失。
钛及钛合金具有比强度高，耐腐蚀强、耐高温性能好等优异的力学和物理化学性能，是新兴的结构和功能材料，已被广泛应用于水翼船等船舶与海洋工程领域。但是，钛合金的普遍缺点就是硬度低、摩擦性能差。纯钛的硬度约150~200Hv，钛合金通常不超过350Hv。这样的硬度在很多情况下不能满足实际生产应用的要求，将会影响到其抗空蚀性能，限制其在水力机械中的应用。因此，如何进一步提高钛及钛合金的抗空蚀性能仍然是亟待解决的问题。在钛合金表面进行表面处理是行之有效的方法之一，通常采用的金属表面处理技术及工艺包括抛光、电刷镀、化学镀复合镀层、热喷涂、激光表面强化、气相沉积、等离子体渗氮、渗碳、渗硼及金属修补胶和薄膜性保护技术等。虽然在各自领域发挥着重要作用，但都或多或少地存在着一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种离子注入改善TC4钛合金抗空蚀性能的方法，该方法是一种新兴的表面改性技术，工艺批量性、可靠性、重复性好。
本发明通过下述技术方案予以实现：
一种离子注入改善钛合金抗空蚀性能的方法，按照下述步骤进行：
将抛光好的钛合金的试样放入离子注入机内，以高纯铌棒（纯度大于等于99.99%）为离子注入源，进行离子注入Nb元素，离子注入的加速电压：40~70kv，束流密度为：4.8uA/cm2，靶室内气压为：1×10-3Pa，注入的离子剂量大于等于5×1016ions/cm2且小于等于4×1017ions/cm2（每平方厘米的原子数）。
所述钛合金选用TC4钛合金，其化学成分（重量比%）如下：
| 元素 | Ti | Al | V | Fe | C | N | H | O |
| 含量 | 余量 | 6.0 | 4.0 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | <0.01 | 0.05 |
通过离子注入进行金属表面改性，可以使金属材料表面陶瓷化和金刚石化，使其披上一层十分坚固的盔甲，注入原子原则上可以是元素周期表中的任何元素，被注入基体原则上可以是任何材料。离子注入将引起金属表层的成分和结构的变化以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动，因此导致金属各种物理、化学和相应机械性能的变化。在发明的技术方案中，在制备之后，将注入Nb元素的TC4钛合金进行空蚀实验，测量其累积失重并观察空蚀后的表面形貌，可以有效改善TC4钛合金抗空蚀性能。
附图说明
图1Nb离子注入的TC4钛合金及未处理的试样在3.5wt%NaCl水溶液中空蚀8h后的失重曲线，其中■为未处理的TC4钛合金，●为本发明的实施例1，▲为本发明的实施例2，
为本发明的实施例3。
图2未处理的TC4钛合金和Nb离子注入量为1.5×1017ions/cm2的TC4钛合金在3.5wt%NaCl水溶液中不同空蚀时间下的空蚀形貌，其中a、c、e分别为TC4合金空蚀0h、4h、8h的形貌；b、d、f分别为注入Nb的TC4合金空蚀0h、4h、8h的形貌（扫描电镜为日立Hitachi公司的S4800场发射扫描电镜）
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。选用MEVVA离子注入机为北京师范大学低能核物理研究所生产的MEVVAⅡA-H离子注入机。
实施例1：一种提高TC4钛合金抗空蚀性能的方法，利用离子注入法在TC4钛合金表面注入Nb元素。
所说的离子注入Nb元素，是在MEVVA源离子注入机上进行，以高纯铌棒为离子注入源，注入的基体为TC4钛合金。
离子注入过程中采用的工艺参数为：
注入过程中加速电压为：70kv
束流密度为：4.8uA/cm2
靶室内气压约为：1×10-3Pa
注入Nb离子剂量为：5×1016ions/cm2
所说的空蚀性能的测试，是采用美国ASTM标准进行，实验设备是宁波新芝生物科技股份有限公司生产的超声波振动空蚀试验机，将待测的试样固定于空蚀机的变幅杆探头下方，调整变幅杆距离试样的高度，加入液体介质，并维持在一定的温度，空蚀若干小时，测量试样的空蚀失重并观察试样的形貌变化。
空蚀实验的工艺参数为：
空蚀机的功率：416W
变幅杆峰峰振幅为：50um
试样工作表面到液面的距离：5cm
变幅杆探头到试样工作表面距离为：1mm
液体介质：3.5wt%NaCl水溶液
液体介质的温度：23℃
上述所说的提高TC4钛合金抗空蚀性能的方法的具体步骤如下：
⑴将TC4钛合金表面分别用240-2000#砂纸逐级打磨并抛光至镜面后，用无水乙醇、去离子水超声清洗、干燥备用。
⑵将纯钛片置于MEVVA源离子注入机内，以高纯铌棒为离子注入源，注入加速电压为70kv,束流密度为4.8uA/cm2，注入Nb离子剂量为5×1016ions/cm2，在TC4钛合金的表面注入一层Nb原子。
⑶将样品取出，用无水乙醇超声清洗后干燥，用感量为10-5g的电子天平称量并记录其质量。
⑷将离子注入完的TC4钛合金片置于空蚀机内，固定好后，将3.5%NaCl溶液注入容器中，利用水浴将温度控制在23℃，试样工作表面到液面的距离为5cm，调节变幅杆的高度，使得变幅杆探头表面到试样工作表面距离为1mm。每空蚀2h将试样从容器中取出，用无水乙醇超声清洗、干燥并称重，最长空蚀时间为8h。
⑸将空蚀后的试样取出，用无水乙醇超声清洗、干燥，用电子天平称量其质量的变化，并观察其形貌的变化。
实施例2：一种提高TC4钛合金抗空蚀性能的方法，利用离子注入法在TC4钛合金表面注入Nb元素。
所说的离子注入Nb元素，是在MEVVA源离子注入机上进行，以高纯铌棒为离子注入源，注入的基体为TC4钛合金。
离子注入过程中采用的工艺参数为：
注入过程中加速电压为：70kv
束流密度为：4.8uA/cm2
靶室内气压约为：1×10-3Pa
注入Nb离子剂量为：1×1017ions/cm2
所说的空蚀性能的测试，是采用美国ASTM标准进行，实验设备是宁波新芝生物科技股份有限公司生产的超声波振动空蚀试验机，将待测试样固定于空蚀机的变幅杆探头下方，调整变幅杆距离试样的高度，加入液体介质，并维持在一定的温度，空蚀若干小时，测量试样的空蚀失重并观察试样的形貌变化。
空蚀实验的工艺参数为：
空蚀机的功率：416W
变幅杆峰峰振幅为：50um
试样工作表面到液面的距离：5cm
变幅杆探头到试样工作表面距离为：1mm
液体介质：3.5%NaCl溶液
液体介质的温度：23℃
上述所说的提高TC4钛合金抗空蚀性能的方法的具体步骤如下：
⑴将TC4钛合金表面分别用240-2000#砂纸逐级打磨并抛光至镜面后，用无水乙醇、去离子水超声清洗、干燥备用。
⑵将纯钛片置于MEVVA源离子注入机内，以高纯铌棒为离子注入源，注入加速电压为70kv,束流密度为4.8uA/cm2，注入Nb离子剂量为1×1017ions/cm2，在TC4钛合金的表面注入一层Nb原子。
⑶将样品取出，用无水乙醇超声清洗后干燥，用感量为10-5g的电子天平称量并记录其质量。
⑷将离子注入完的TC4钛合金片置于空蚀机内，固定好后，将3.5%NaCl溶液注入容器中，利用水浴将温度控制在23℃，试样工作表面到液面的距离为5cm，调节变幅杆的高度，使得变幅杆探头表面到试样工作表面距离为1mm。每空蚀2h将试样从容器中取出，用无水乙醇超声清洗、干燥并称重，最长空蚀时间为8h。
⑸将空蚀后的试样取出，用无水乙醇超声清洗、干燥，用电子天平称量其质量的变化，并观察其形貌的变化。
实施例3：一种提高TC4钛合金抗空蚀性能的方法，利用离子注入法在TC4钛合金表面注入Nb元素。
所说的离子注入Nb元素，是在MEVVA源离子注入机上进行，以高纯铌棒为离子注入源，注入的基体为TC4钛合金。
离子注入过程中采用的工艺参数为：
注入过程中加速电压为：70kv
束流密度为：4.8uA/cm2
靶室内气压约为：1×10-3Pa
注入Nb离子剂量为：4×1017ions/cm2
所说的空蚀性能的测试，是采用美国ASTM标准进行，实验设备是宁波新芝生物科技股份有限公司生产的超声波振动空蚀试验机，将待测试样固定于空蚀机的变幅杆探头下方，调整变幅杆距离试样的高度，加入液体介质，并维持在一定的温度，空蚀若干小时，测量试样的空蚀失重并观察试样的形貌变化。
空蚀实验的工艺参数为：
空蚀机的功率：416W
变幅杆峰峰振幅为：50um
试样工作表面到液面的距离：5cm
变幅杆探头到试样工作表面距离为：1mm
液体介质：3.5%NaCl溶液
液体介质的温度：23℃
上述所说的提高TC4钛合金抗空蚀性能的方法的具体步骤如下：
⑴将TC4钛合金表面分别用240-2000#砂纸逐级打磨并抛光至镜面后，用无水乙醇、去离子水超声清洗、干燥备用。
⑵将TC4钛合金片置于MEVVA源离子注入机内，以高纯铌棒为离子注入源，注入加速电压为70kv,束流密度为4.8uA/cm2，注入Nb离子剂量为1.5×1017ions/cm2，在TC4钛合金的表面注入一层Nb原子。
⑶将样品取出，用无水乙醇超声清洗后干燥，用感量为10-5g的电子天平称量并记录其质量
⑷将离子注入完的TC4钛合金片置于空蚀机内，固定好后，将3.5%NaCl溶液注入容器中，利用水浴将温度控制在23℃，试样工作表面到液面的距离为5cm，调节变幅杆的高度，使得变幅杆探头表面到试样工作表面距离为1mm。每空蚀2h将试样从容器中取出，用无水乙醇超声清洗、干燥并称重，最长空蚀时间为8h。
⑸将空蚀后的试样取出，用无水乙醇超声清洗、干燥，用电子天平称量其质量的变化，并观察其形貌的变化。
实施例4：对未进行离子注入的TC4钛合金的进行空蚀性能的测试。
所说的空蚀性能的测试，是采用美国ASTM标准进行，实验设备是宁波新芝生物科技股
份有限公司生产的超声波振动空蚀试验机，将待测试样固定于空蚀机的变幅杆探头下方，调整变幅杆距离试样的高度，加入液体介质，并维持在一定的温度，空蚀若干小时，测量试样的空蚀失重并观察试样的形貌变化。
空蚀实验的工艺参数为：
空蚀机的功率：416W
变幅杆峰峰振幅为：50um
试样工作表面到液面的距离：5cm
变幅杆探头到试样工作表面距离为：1mm
液体介质：3.5%NaCl溶液
液体介质的温度：23℃
上述所说的TC4钛合金抗空蚀性能的方法的具体步骤如下：
⑴将TC4钛合金表面分别用240-2000#砂纸逐级打磨并抛光至镜面后，用无水乙醇、去离子水超声清洗、干燥备用。
⑵用感量为10-5g的电子天平称量并记录其质量。
⑶将抛光好的TC4钛合金片置于空蚀机内，固定好后，将3.5%NaCl溶液注入容器中，利用水浴将温度控制在23℃，试样工作表面到液面的距离为5cm，调节变幅杆的高度，使得变幅杆探头表面到试样工作表面距离为1mm。每空蚀2h将试样从容器中取出，用无水乙醇超声清洗、干燥并称重，最长空蚀时间为8h。
⑷将空蚀后的试样取出，用无水乙醇超声清洗、干燥，用电子天平称量其质量的变化，并观察其形貌的变化。
由测试结果（附图1）得出：空蚀8h后，离子注入后的TC4钛合金的累积失重量小于未处理的试样，通过SEM照片（附图2）发现，TC4钛合金表面离子注入Nb元素后，抗空蚀性能有所提高，能够有效的延缓在塑性变形条件下裂纹与蚀坑的形成。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于离子注入表面改性提高钛合金抗空蚀性能的方法，其特征在于，将抛光好的钛合金的试样放入离子注入机内，以高纯铌棒为离子注入源，进行离子注入Nb元素，离子注入的加速电压：40~70kv，束流密度为：4.8uA/cm2，靶室内气压为：1×10-3Pa，注入的离子剂量大于等于5×1016ions/cm2且小于等于4×1017ions/cm2。
2.根据权利要求1所述的一种基于离子注入表面改性提高钛合金抗空蚀性能的方法，其特征在于，所述钛合金为TC4钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种基于离子注入表面改性提高钛合金抗空蚀性能的方法，其特征在于，所述高纯铌棒的纯度为大于等于99.99%。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2012104428086A CN102912309A (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 一种基于离子注入表面改性提高tc4钛合金抗空蚀性能的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2012104428086A CN102912309A (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 一种基于离子注入表面改性提高tc4钛合金抗空蚀性能的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102912309A true CN102912309A (zh) | 2013-02-06 |
Family
ID=47610881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2012104428086A Pending CN102912309A (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 一种基于离子注入表面改性提高tc4钛合金抗空蚀性能的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102912309A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110079779A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-08-02 | 华南理工大学 | 一种高性能陶瓷涂层及其制备方法与应用 |
| CN112626432A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-04-09 | 西安交通大学 | 一种提高难熔金属钼抗水腐蚀的表面合金化方法 |
| CN115449743A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-12-09 | 江西省科学院应用物理研究所 | 一种合金表面改性层及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06228750A (ja) * | 1993-02-01 | 1994-08-16 | Nippon Steel Corp | 表面改質方法 |
| KR100375334B1 (ko) * | 2001-01-26 | 2003-03-06 | 한국과학기술연구원 | 플라즈마 이온주입법을 이용한 금속 부품의 표면개질 방법 |
| CN101545096A (zh) * | 2009-04-30 | 2009-09-30 | 广东工业大学 | 离子注入法提高块体非晶合金耐磨性能的方法 |
-
2012
- 2012-11-07 CN CN2012104428086A patent/CN102912309A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06228750A (ja) * | 1993-02-01 | 1994-08-16 | Nippon Steel Corp | 表面改質方法 |
| KR100375334B1 (ko) * | 2001-01-26 | 2003-03-06 | 한국과학기술연구원 | 플라즈마 이온주입법을 이용한 금속 부품의 표면개질 방법 |
| CN101545096A (zh) * | 2009-04-30 | 2009-09-30 | 广东工业大学 | 离子注入法提高块体非晶合金耐磨性能的方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 《核技术》 20010110 朱小鹏等 离子注入Cr、Y、Nb对gamma-TiAl金属间化合物高温氧化性能的影响 , 第01期 * |
| 朱小鹏等: "离子注入Cr、Y、Nb对γ-TiAl金属间化合物高温氧化性能的影响", 《核技术》 * |
| 王振霞等: "钛(TA2)及钛合金(TC4)表面等离子渗Nb研究", 《热加工工艺》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110079779A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-08-02 | 华南理工大学 | 一种高性能陶瓷涂层及其制备方法与应用 |
| CN112626432A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-04-09 | 西安交通大学 | 一种提高难熔金属钼抗水腐蚀的表面合金化方法 |
| CN112626432B (zh) * | 2020-10-23 | 2022-01-25 | 西安交通大学 | 一种提高难熔金属钼抗水腐蚀的表面合金化方法 |
| CN115449743A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-12-09 | 江西省科学院应用物理研究所 | 一种合金表面改性层及其制备方法 |
| CN115449743B (zh) * | 2022-09-20 | 2024-01-26 | 江西省科学院应用物理研究所 | 一种合金表面改性层及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104233216A (zh) | 一种表面具有纳米结构阵列钛基掺硼金刚石电极的制备方法 | |
| CN102912309A (zh) | 一种基于离子注入表面改性提高tc4钛合金抗空蚀性能的方法 | |
| CN105442034A (zh) | 一种改变锆合金表面织构的方法 | |
| Wu et al. | Combination of plasma electrolytic oxidation and pulsed laser deposition for preparation of corrosion-resisting composite film on zirconium alloys | |
| CN103334143B (zh) | 一种锆合金表面快速制备耐磨氧化锆和氧化铝混合涂层的微弧氧化方法 | |
| CN109913771A (zh) | 一种VAlTiCrSi高熵合金薄膜及其在海水环境下的应用 | |
| CN105648516A (zh) | 一种获得锆合金超硬表面改性层的方法 | |
| CN113718208A (zh) | 多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法 | |
| CN108624882A (zh) | 锆合金表面氧化锆/氮化铬复合膜及其制备方法与应用 | |
| CN105714225A (zh) | 一种在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法 | |
| CN110983257A (zh) | 提高钛合金表面耐腐蚀及防冰性能的表面处理方法 | |
| Wang et al. | Area ratio of cathode/anode effect on the galvanic corrosion of high potential difference coupling in seawater | |
| CN103147112A (zh) | 一种电解液及其用于制备核燃料棒锆合金包壳微弧氧化膜的用途和方法 | |
| CN103590033A (zh) | 基于纳米技术在低碳钢表面制备Ni-Cr-Mo镀层的方法 | |
| CN102644075A (zh) | 一种tc4钛合金表面质量优良的电火花表面强化制备工艺 | |
| Huang et al. | Investigation on the failure mechanism of graphite-like carbon coatings under cavitation erosion in distilled water | |
| CN103956592B (zh) | 接地网NiP-DLC复合抗腐蚀防护涂层制备方法 | |
| CN110085337A (zh) | 一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法 | |
| CN105256264A (zh) | 一种锆合金包壳材料表面纳米结构的制备方法 | |
| Haibo et al. | Surface modification of (Tb, Dy) Fe2 alloy by nitrogen ion implantation | |
| CN109504996B (zh) | 一种用于钢铁表面dlc复合氧化膜制备的阴极微弧氧化溶液和方法 | |
| CN110484850A (zh) | 一种用于渗氮基体上制备结合性能良好喷涂层的方法 | |
| Jin et al. | Structural characterization of nickel-base alloy C-276 irradiated with Ar ions | |
| Durán-Olvera et al. | Characterization of TiC/Ni composite immersed in synthetic seawater | |
| Zhu et al. | FeCrNiMnMo x Si 0.5 B 0.5 High-entropy Alloy (HEA) Coatings Fabricated by Laser Cladding. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130206 |