CN105648398A - 一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，包括以下步骤：(1)将预处理的TiAl基合金的表面依次埋覆金属氧化物粉末层及该金属与其氧化物的混合粉末层，并置于惰性气氛或真空环境中；(2)加热升温至800～1000℃，保持2～20h，在TiAl基合金周围形成极低氧气分压环境，促进TiAl基合金表面生成致密的Al₂O₃膜，从而提高TiAl基合金高温抗氧化性能。与现有技术相比，本发明通过提供极低氧气分压环境及不破坏材料的整体力学性能的预氧化技术提高TiAl基合金高温抗氧化性能，具有工艺简单、成本低廉等优点。

Description

一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法

技术领域

本发明涉及TiAl基合金高温抗氧化领域，尤其是涉及一种通过预氧化技术来提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法。

背景技术

相比于传统的钛合金及高温合金，TiAl基合金具有十分显著的综合性能，即密度低、比强度高、优良的抗蠕变性能和高温力学性能。该性能可满足汽车或航空发动机的高温部件的使用要求，如压气机叶片和增压涡轮等，由于镍基超合金密度较大，因而，TiAl基合金是部分取代镍基高温合金的理想材料。然而，TiAl基合金存在如下缺点：(1)室温塑性较差；(2)高温抗氧化性能严重不足，当使用温度高于750℃时，氧化严重，这极大地破坏力学性能。TiAl基合金高温氧化时，Ti元素和Al元素会竞争氧化，表面形成不具保护作用的TiO₂、Al₂O₃混合物氧化膜。目前，改善TiAl基合金高温抗氧化性能主要有以下两种方法：(1)整体合金化，即在TiAl基合金中添加Ti、Al以外的元素，如Nb、Si、W等元素，来提高抗氧化性能；(2)TiAl合金表面处理技术，包括表面合金化和涂层技术，通过在合金表面形成具有保护作用的膜或涂层(如包埋渗铝、表面离子注入等)，以提高TiAl基合金高温抗氧化性能。

尽管Al₂O₃与TiO₂的分解压在常压下很接近，但根据Ellingham图可以看出Al₂O₃的分解压仍然小于TiO₂分解压，即Al元素比Ti元素具有更高的活性。气体通量与气体分压可用Hertz-Knudsen-Langmuir方程表示：

$J_{max}\left(T\right)=\frac{P_{eq}\left(T\right)}{\sqrt{2\mathrm{\π}MRT}}$

其中，J_max为最大气体流量，T为温度，P_eq为气体平衡分压，M为分子量，R为气体常数。在低氧分压下，由于气体流通极慢，反应的控制步骤应为氧分子在合金表面的撞击过程，在低氧压气氛中Al元素将会优先氧化形成Al₂O₃，因此，可将TiAl基合金在低氧压气氛中氧化一定的时间，在其表面形成具有保护性的Al₂O₃氧化膜以提高合金的抗氧化性能，这就是所谓的预氧化处理。预氧化处理相比于整体合金化，具有不破坏合金整体力学性能的优势；预氧化相比于涂层和表面离子注入等，具有工艺简单，成本低廉的优势。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单、成本低廉、能够通过提供极低氧气分压环境及不破坏材料的整体力学性能的预氧化技术提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，包括以下步骤：

(1)将预处理的TiAl基合金的表面依次埋覆金属氧化物粉末层及该金属与其氧化物的混合粉末层，并置于惰性气氛或真空环境中；

(2)升温至800～1000℃，保持2～20h，在TiAl基合金周围形成极低氧气分压环境，促进TiAl基合金表面生成致密的Al₂O₃膜，从而提高TiAl基合金高温抗氧化性能。

所述的金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的质量含量为10～90％。

埋覆的金属包括锰、锆、铝或钛。

优选地，埋覆的金属为铝。

所述的金属氧化物粉末层中的金属氧化物的粒径为80～600目。

所述的金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的粒径为40～500目，金属氧化物粉末的粒径为80～600目。

所述的极低氧气分压环境中的氧气分压为10^-15～10^-38atm。

所述的步骤(1)中的惰性气氛通过机械方法抽真空并充入惰性气体，循环此过程1～5次形成。

优选地，充入惰性气体至一个大气压。

所述的惰性气体为高纯氩气或高纯氦气。

所述的步骤(2)的升温过程的升温速率为5～10K/min。

其中，步骤(1)中的预处理是指将TiAl基合金打磨光滑，并用丙酮清洗。

本发明针对TiAl基合金高温下易氧化问题，提出一种通过预氧化技术来提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法。鉴于在低氧分压下氧化速率的控制步骤是氧分子与合金表面的撞击过程，而Al₂O₃的分解压低于TiO₂，使得在有限的氧含量下，氧会优先选择和Al接触生成Al₂O₃，从而形成一层致密的Al₂O₃氧化物薄膜，阻止氧的进一步向内扩散，提高材料的高温抗氧化性。

本发明通过多次循环抽真空和通入惰性气体的机械过程最大化地降低氧气分压；通过预先依次埋覆金属氧化物粉末层及该金属与其氧化物的混合粉末层，以及之后的升温、保温过程，使得混合粉末层中的还原性较强的金属粉末与氧气反应，例如金属为铝时，使反应4Al+3O₂＝2Al₂O₃达到热力学平衡，从而通过化学方法获得极低氧分压，此处所述的还原性较强是指在800～1000℃，还原性强于C元素而小于Mg元素；例如Mn、Zr、Ti及Al等，具体活性顺序(800～1000℃)如下：Mg>Zr>Al>Ti>Mn>C。

本发明步骤(2)升温过程的速率为5～10K/min，升温速度过高将导致TiAl基合金中Ti的氧化，速度过低，浪费时间，效率降低。步骤(2)升温至800～1000℃，保持2～20h，优选保温时间为5～15小时，保温时间过短就无法拥有充足的时间形成Al₂O₃膜，太长就浪费时间，降低效率。保温温度太低形成Al₂O₃膜速度较慢，效率不高；温度太高Ti就易氧化，无法形成Al₂O₃膜。本发明的这三个指标可以在较短的时间内获得致密纯净的Al₂O₃层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)和整体合金化相比，该方法不会破坏材料的整体力学性能；

(2)和抗氧化涂层、表面离子注入与包埋渗铝等相比，该方法原材料廉价易得，工艺简单。

附图说明

图1为实施例1的TiAl基合金样品的埋覆示意图；

图2为实施例1经过预氧化处理的TiAl基合金样品恒温氧化实验后的截面SEM图；

图3为实施例1未经预氧化处理的TiAl基合金样品恒温氧化实验后的截面SEM图；

图中，1为TiAl基合金样品，2为Al₂O₃粉末层，3为Al+Al₂O₃混合粉末层，4为刚玉管，5为氧化层，6为TiAl基合金基体层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，具体包括以下步骤：将TiAl基合金切割至合适尺寸，用砂纸打磨光滑，并用丙酮清洗后，得到TiAl基合金样品1，置于刚玉管4中，表面依次埋覆Al₂O₃粉末层2和Al+Al₂O₃混合粉末层3，混合粉末层中的Al粉末的质量分数为30％，具体埋覆方式见图1，将埋覆好样品的刚玉管4置于管式炉内，将管式炉内抽真空并充高纯氩气，循环三次后，炉内保持一个大气压下的高纯氩状态；管式炉以8K/min的升温速率升温至950℃，保温10h，样品随炉冷却，在TiAl基合金基体的表面形成一层致密的Al₂O₃膜。取出样品之后，在马弗炉中进行900℃下的100h的恒温氧化实验，在TiAl基合金基体层6表面形成一层氧化层5，发现经预氧化过的TiAl基合金样品1经过100h后氧化增重为1.4697mg/cm²，氧化层5平均厚度约为7μm，具体形貌见图2，而未经预氧化处理的样品经过100h后氧化增重为2.3614mg/cm²，氧化层5平均厚度约为13μm，具体形貌见图3。由此可见，预氧化技术可以明显提高TiAl基合金的高温抗氧化性能。此外由于混合粉末层中的Al粉末部分氧化，且Al粉末与Al₂O₃粉末混合均匀，并未出现Al粉末大量熔化的现象。

与TiAl基合金相接触的金属氧化物粉末在高温下性质稳定，不会与TiAl基合金发生反应，也不会与合金粘结，可以起到保护合金的作用；而外层混合物层中的金属元素主要是为了与氧反应，消耗环境中的氧，获得极低氧分压；混合层中的金属氧化物可以使金属粉末分布更加均匀，避免其粘结成团。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例的Al+Al₂O₃混合粉末层中的Al粉末的质量含量为50％。本实施例制得的样品在马弗炉中进行900℃下的100h的恒温氧化实验，发现经预氧化过的样品，100h后氧化增重为1.6442mg/cm²。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例的Al+Al₂O₃混合粉末层中的Al粉末的质量含量为10％。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例的Al+Al₂O₃混合粉末层中的Al粉末的质量含量为90％。

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例埋覆的金属为钛。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例埋覆的金属为锰。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例埋覆的金属为锆。

实施例8

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例的埋覆好样品的刚玉管4置于管式炉内，将管式炉内抽真空并充高纯氩气，炉内保持一个大气压下的高纯氩状态，管式炉以5K/min的升温速率升温至1000℃，并保温2h，样品然后随炉冷却，在TiAl基合金表面生成致密的Al₂O₃膜从而提高TiAl基合金高温抗氧化性能。

实施例9

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例的埋覆好样品的刚玉管4置于管式炉内，将管式炉内抽真空并充高纯氩气，循环5次，炉内保持一个大气压下的高纯氩状态，管式炉以10K/min的升温速率升温至800℃，并保温20h，使得管式炉内达到氧气分压为10^-15～10^-38atm的极低氧气分压环境，样品然后随炉冷却，在TiAl基合金表面生成致密的Al₂O₃膜从而提高TiAl基合金高温抗氧化性能。

实施例10

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的金属氧化物粉末层中的金属氧化物的粒径为80目，金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的粒径为40目，金属氧化物粉末的粒径为80目。

实施例11

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的金属氧化物粉末层中的金属氧化物的粒径为600目，金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的粒径为500目，金属氧化物粉末的粒径为600目。

实施例12

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的金属氧化物粉末层中的金属氧化物的粒径为300目，金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的粒径为200目，金属氧化物粉末的粒径为400目。

实施例13

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例中的惰性气体选择高纯氦气。

实施例14

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例在加热前使炉内形成真空环境。

Claims (10)

1.一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将预处理的TiAl基合金的表面依次埋覆金属氧化物粉末层及该金属与其氧化物的混合粉末层，并置于惰性气氛或真空环境中；

(2)升温至800～1000℃，保持2～20h，在TiAl基合金周围形成极低氧气分压环境，促进TiAl基合金表面生成致密的Al₂O₃膜，从而提高TiAl基合金高温抗氧化性能。

2.根据权利要求1所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述的金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的质量含量为10～90％。

3.根据权利要求1所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，埋覆的金属包括锰、锆、铝或钛。

4.根据权利要求3所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，埋覆的金属为铝。

5.根据权利要求1所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述的金属氧化物粉末层中的金属氧化物的粒径为80～600目。

6.根据权利要求1所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述的金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的粒径为40～500目，金属氧化物粉末的粒径为80～600目。

7.根据权利要求1所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述的极低氧气分压环境中的氧气分压为10^-15～10^-38atm。

8.根据权利要求1所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的惰性气氛通过抽真空并充入惰性气体，循环此过程1～5次形成。

9.根据权利要求8所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述的惰性气体为高纯氩气或高纯氦气。

10.根据权利要求1所述的一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述的步骤(2)的升温过程的升温速率为5～10K/min。