CN103060754B - 一种抗高温氧化的钛合金梯度材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，采用如下步骤：S1、对所述钛铝基合金工件进行充分的预轰击，S2、将源极和阴极施加电压，来自源极的欲渗合金元素吸附、沉积到活性较大的所述钛铝基合金工件表面，并在高温下扩散渗入工件内部，形成含有欲渗金属元素的表面合金层；S3、到指定渗金属时间后，关闭源极和阴极电源，将密封炉内抽到极限真空，冷却到室温后出炉。本发明使工件表面形成含有欲渗金属元素的表面合金层，大大提高了工件的抗高温氧化性能。

Description

一种抗高温氧化的钛合金梯度材料的制备方法
技术领域
本发明涉及材料加工工程技术领域，尤其是涉及一种抗高温氧化的钛合金梯度材料的制备方法。
背景技术
钛合金因具有比强度高、耐蚀性及耐热性能好等优点被广泛应用于航空工业。但其在特定环境下发生燃烧的特性，制约了它在高性能航空发动机中的应用。在高温高压环境中，钛合金迅速氧化，氧化反应是放热过程，将会发生自蔓延反应而导致钛的燃烧。这些现象经常发生在发动机的高压压缩机中。研制阻燃钛合金、改进发动机的设计是预防着火的重要措施，而对钛及钛合金进行表面合金化也是提高其阻燃性能的有效途径。近几年双层辉光等离子渗金属技术在钛及钛合金表面合金化的研究取得一些重要成果。Ti-45Nb是美国研制的一种阻燃钛合金，Nb元素的含量较大，比强度下降，造成冶炼困难，工艺性能差，成本高，整体阻燃钛合金的塑性与韧性较原始钛合金有较大的改变。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种抗高温氧化的钛合金梯度材料的制备方法，使工件表面形成含有欲渗金属元素的表面合金层，大大提高了工件的抗高温氧化性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种抗高温氧化的钛合金梯度材料的制备方法，采用以下步骤：
S1、将阳极、阴极和源极设置于密封炉内部，所述阴极由钛铝基合金工件构成，所述源极由欲渗金属元素板构成，用真空泵对所述密封炉抽真空并充入惰性气体至20Pa左右并通入冷却水，对所述阴极施加800～900V电压，继续充入氩气至25Pa左右，对所述钛铝基合金工件进行充分的预轰击，通过预轰击对所述钛铝基合金工件进行清洗，并使其表面活化便于活性原子的吸附，同时将其加热到300度；
S2、对所述钛铝基合金工件进行预轰击后调至工作气压20-80pa，将源极和阴极施加电压并调整到试验值400～600V/200～400V，使所述钛铝基合金工件和源极达到工作温度1000度，稳定各工艺参数开始计时并保温，来自源极的欲渗合金元素吸附、沉积到活性较大的所述钛合金工件表面，并在高温下扩散渗入工件内部，形成含有欲渗金属元素的表面合金层；
S3、到指定渗金属时间1-6h后，关闭源极和阴极电源，将密封炉内抽到极限真空，冷却到室温后出炉。
进一步的，在步骤S1中，将所述钛合金工件放置在上部敞口的隔热箱内，将欲渗金属元素体放置于所述隔热箱的上部，保证有良好的渗铌气氛和稳定的升温环境，并起到保温的作用，抽真空至极限真空度。
进一步的，所述欲渗金属元素板为铌元素板。
进一步的，所述铌元素板用砂纸打磨干净，然后用丙酮超声清洗。
进一步的，所述钛铝基合金工件依次经过镶样机镶样、砂轮粗磨、水砂纸细磨、抛光机抛光、用3％～4％HF+10％HNO3水溶液腐蚀剂进行腐蚀。
进一步的，所述渗金属温度为900～1100℃，所述工作气压65Pa，所述时间4h，所述阴极与源极的极间距为15～20mm，所述预轰击时间10～60min。
采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明对TiAl金属间化合物进行离子渗Nb后，其抗氧化性能有大幅度的提高，Ti-6Al-4V表面经双层辉光离子渗钼处理后耐磨性能提高了近100倍。
由于在步骤S1中，将所述钛铝基合金工件放置在上部敞口的隔热箱内，将欲渗金属元素体放置于所述隔热箱的上部，保证有良好的渗铌气氛和稳定的升温环境，并起到保温的作用，抽真空至极限真空度，辅助阴极和源极、工件形成多重空心阴极效应，提高了源极溅射率，同时起到保温作用，减少热消耗，减少源极溅射出合金元素流失，提高源极合金元素的浓度和吸收率，渗金属温度场更均匀，有利于形成均匀的扩散层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
一种抗高温氧化的钛合金梯度材料的制备方法，采用以下步骤：
S1、将阳极、阴极和源极设置于密封炉内部，所述阴极由钛铝基合金工件构成，所述源极由欲渗金属元素板构成，用真空泵对所述密封炉抽真空并充入惰性气体至20Pa左右并通入冷却水，对所述阴极施加800～900V电压，继续充入氩气至25Pa左右，对所述钛铝基合金工件进行充分的预轰击，通过预轰击对所述钛铝基合金工件进行清洗，并使其表面活化便于活性原子的吸附，同时将其加热到300度；
S2、对所述钛铝基合金工件进行预轰击后调至工作气压20-80pa，将源极和阴极施加电压并调整到试验值400～600V/200～400V，使所述钛铝基合金工件和源极达到工作温度1000度，稳定各工艺参数开始计时并保温，来自源极的欲渗合金元素吸附、沉积到活性较大的所述钛合金工件表面，并在高温下扩散渗入工件内部，形成含有欲渗金属元素的表面合金层；
S3、到指定渗金属时间1-6h后，关闭源极和阴极电源，将密封炉内抽到极限真空，冷却到室温后出炉。
为了达到更好的效果，在步骤S1中，将所述钛合金工件放置在上部敞口的隔热箱内，将欲渗金属元素体放置于所述隔热箱的上部，保证有良好的渗铌气氛和稳定的升温环境，并起到保温的作用，抽真空至极限真空度。
再将源极和阴极放入密封炉前，铌元素板用砂纸打磨干净，然后用丙酮超声清洗。钛铝基合金工件依次经过镶样机镶样、砂轮粗磨、水砂纸细磨、抛光机抛光、用3％～4％HF+10％HNO3水溶液腐蚀剂进行腐蚀。
本实施例中，所述渗金属温度为900～1100℃，所述工作气压65Pa，所述时间4h，所述阴极与源极的极间距为15～20mm，所述预轰击时间10～60min
本实施例中，欲渗合金元素为铌元素。钛合金工件是由西北有色金属院提供的TA2、Ti-6Al-4V，经线切割成试样大小为Φ20mm×3mm。渗金属之前，经过SiC水砂纸打磨至1000#后抛光，使用丙酮清洗后放入干燥器中待用。TA2合金的原始组织主要由等轴状α相组成，而Ti-6Al-4V合金主要由白色为α相及黑色β相组成。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：
S1、将阳极、阴极和源极设置于密封炉内部，所述阴极由钛铝基合金工件构成，所述源极由欲渗金属元素板构成，用真空泵对所述密封炉抽真空并充入惰性气体至20Pa左右并通入冷却水，对所述阴极施加800～900V电压，继续充入氩气至25Pa左右，对所述钛铝基合金工件进行充分的预轰击，通过预轰击对所述钛铝基合金工件进行清洗，并使其表面活化便于活性原子的吸附，同时将其加热到300度；
在此过程中，将所述钛铝基合金工件放置在上部敞口的隔热箱内，将欲渗金属元素体放置于所述隔热箱的上部，保证有良好的渗铌气氛和稳定的升温环境，并起到保温的作用，抽真空至极限真空度；
S2、对所述钛铝基合金工件进行预轰击后调至工作气压20-80pa，将源极和阴极施加电压并调整到试验值400～600V/200～400V，使所述钛铝基合金工件和源极达到工作温度1000度，稳定各工艺参数开始计时并保温，来自源极的欲渗合金元素吸附、沉积到活性较大的所述钛铝基合金工件表面，并在高温下扩散渗入工件内部，形成含有欲渗金属元素的表面合金层；
S3、到指定渗金属时间1-6h后，关闭源极和阴极电源，将密封炉内抽到极限真空，冷却到室温后出炉；
所述欲渗金属元素板为铌元素板。
2.如权利要求1所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于，所述铌元素板用砂纸打磨干净，然后用丙酮超声清洗。
3.如权利要求2所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于，所述钛铝基合金工件依次经过镶样机镶样、砂轮粗磨、水砂纸细磨、抛光机抛光、用3％～4％HF+10％HNO3水溶液腐蚀剂进行腐蚀。
4.如权利要求3所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于，所述渗金属温度为900～1100℃，所述工作气压65Pa，所述时间4h，所述阴极与源极的极间距为15～20mm，所述预轰击时间10～60min。
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