CN105734486B - 一种钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法，包括：步骤1，对钛合金样品表面进行纳米化处理，从而在钛合金样品表面形成梯度纳米晶层；步骤2，对表面纳米化处理后的钛合金样品进行液态扩渗铝处理，即可在钛合金样品表面获得复合涂层。本发明简单，操作方便；与传统液态渗铝方法相比，本发明采用相同的温度和处理时间即可获得更厚的涂层，或采用更低的温度和更短的处理时间即可获得厚度相当的涂层，有利于节约成本并降低涂层热裂纹的形成倾向；可在钛合金表面获得具梯度结构的扩散反应层和参差交错的界面，从而大大提高涂层与基体间的结合力，使涂层在热应力作用下也不易剥落和开裂。

Description

一种钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属表面渗铝涂层的制备方法，尤其涉及一种钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法，属于表面涂层技术领域。
背景技术
钛合金是一种重要的结构材料，具有密度小、强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，是航空航天领域应用的重要金属材料。钛及钛合金高温下的氧化会导致强度和塑性下降，造成表面脆化，这使得钛及钛合金作为高温材料的使用受到限制。
为提高钛及钛合金的抗高温氧化性能，可以通过表面改性技术在材料表面形成保护性涂层。钛合金的表面改性技术按照反应机理可概括为两大类，一类是通过离子喷涂、离子注入、激光熔覆、PVD等表面技术，在钛合金表面涂镀一层保护性涂层；另一类则是通过钛合金与其他材料发生反应，在钛合金表面生成保护性涂层，如渗铝。渗铝是一种在一定条件下将铝元素渗入材料表层获得具优良性能渗层的化学热处理工艺。渗铝后材料的表面生成致密而连续的保护性涂层，能提高工件的高温抗氧化性以及在其他介质中的热稳定性和耐蚀性。
目前钛合金渗铝技术存在渗铝温度高、渗铝处理时间长、所得涂层塑性能力差等问题，在高温或循环应力作用下，所得涂层易发生剥落、开裂或形成贯穿性裂纹，进而失去防护效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种可显著提高涂层和基体间结合力、且可降低扩渗铝温度和扩渗铝处理时间的钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法，包括：
步骤1，对钛合金样品表面进行纳米化处理，具体为：
将钛合金样品夹持于夹具上，并将夹具固定于旋转工作台上；采用液压系统驱动压头底座使镶嵌于压头底座上的滚针压入钛合金样品表面并对滚针保持施加压力；采用动力设备驱动旋转工作台旋转从而带动钛合金样品旋转，滚针在钛合金样品表面滚压使钛合金样品表面产生强烈塑性变形，从而在钛合金样品表面形成梯度纳米晶层；所述的滚针材料硬度大于钛合金样品硬度；
步骤2，对表面纳米化处理后的钛合金样品进行液态扩渗铝处理，具体为：
打磨并清洗铝块，将钛合金样品压入铝块，使铝块包裹住钛合金样品经纳米化处理的表面，在惰性气体氛围下加热至700℃～900℃并保温1～7小时，即可在钛合金样品表面获得复合涂层。
作为优选，步骤1所获得的梯度纳米晶层厚度不小于50μm，梯度纳米晶层中晶粒粒径不超过100nm。
梯度纳米晶层的厚度和晶粒粒径受滚压压力、工作台旋转速度和滚压时间影响。一般而言，滚压压力越大、工作台旋转速度越大、滚压时间越长，梯度纳米晶层的厚度越大，晶粒粒径越小；反之亦然。
步骤1中工艺参数可在下述范围内进行设置：滚压压力为45～200kN，工作台旋转速度为1～30r/min，滚压时间为5～60min。本领域技术人员在上述工艺参数范围内进行有限次试验，即可确定获得厚度不小于50μm、晶粒粒径不超过100nm的梯度纳米晶层的工艺参数。
在表面纳米化处理中，滚针为圆柱形，分布于以压头底座中心为圆心的若干同心圆圆周上；滚针的中心轴平行于旋转工作台，滚针可绕其中心轴旋转。
在液态扩渗铝处理中，钛铝反应生成金属间化合物TiAl3，最终可在钛合金样品表面得到Al-TiAl3复合涂层。
在液态扩渗铝处理中，在扩渗铝温度下，包裹钛合金样品的液态铝与钛合金基体发生反应，此过程既包括钛铝原子互相间的扩散和反应，形成复合涂层；也包括钛合金基体向铝的迁移。这样不仅大大提高了反应速率，也改变了涂层结构，形成参差交错的界面，有效改善了涂层与基体之间的结合力，使其在热应力的作用下也不易脱落和开裂。
本发明机理如下：
首先，对钛合金进行表面纳米化处理，将其表层晶粒细化为纳米晶，晶界体积分数急剧增大；随着深度增加细化程度减小，即在钛合金表面形成具梯度结构的表层纳米晶组织。
随后，对钛合金进行液态扩渗铝处理，高体积分数的晶界为原子扩散提供了有利通道，从而加速了铝和钛原子高温下的扩散和反应，在钛合金表面形成具梯度结构的扩散反应层，即复合涂层。同时，液态扩渗铝处理还会引起基体迁移，形成参差交错的界面，有效改善了涂层与基体间的结合力，使其在热应力作用下也不易脱落和开裂。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、简单，操作方便。
2、与传统液态渗铝方法相比，本发明采用更低的温度和更短的处理时间即可获得厚度相当的涂层，有利于节约成本并降低涂层热裂纹的形成倾向。
3.可在钛合金表面获得具梯度结构的扩散反应层和参差交错的界面，从而大大提高涂层与基体间的结合力，使涂层在热应力作用下也不易剥落和开裂。
4、可根据需要改变滚压压力、工作台旋转速度、滚压时间、扩渗铝温度、扩渗铝时间等工艺参数，来灵活获得不同厚度的复合涂层。
附图说明
图1为实施例1试验1中钛合金样品经表面纳米化处理所得梯度纳米晶层的金相组织图；
图2为实施例1中钛合金样品经表面纳米化处理所得梯度纳米晶层的TEM(透射电镜)图，其中，图(a)为明场像，图(b)为暗场像；
图3为实施例1所得钛合金表面涂层的SEM(扫描电镜)图，其中，图(a)为试验1所得钛合金表面涂层的SEM图，图(b)为试验2所得钛合金表面涂层的SEM图；
图4为实施例2所得钛合金表面涂层的SEM图，其中，图(a)为试验1所得钛合金表面涂层的SEM图，图(b)为试验2所得钛合金表面涂层的SEM图；
图5为实施例3所得钛合金表面涂层的SEM图，其中，图(a)为试验1所得钛合金表面涂层的SEM图，图(b)为试验2所得钛合金表面涂层的SEM图；
图6为实施例4所得钛合金表面涂层的SEM图，其中，图(a)为试验1所得钛合金表面涂层的SEM图，图(b)为试验2所得钛合金表面涂层的SEM图。
具体实施方式
下面将结合实施例进一步说明本发明技术方案。
下述实施例中所采用基体材料为Ti6Al4V钛合金，在进行下面试验前，对Ti6Al4V钛合金依次进行930℃淬火和550℃保温5h的预处理，以获得均匀的等轴晶组织。
实施例1
试验1
钛合金样品打磨掉表面氧化层后夹持于夹具上，将夹具固定于旋转工作台上。采用液压系统驱动压头底座使镶嵌于压头底座上的滚针压入钛合金样品表面并对滚针保持施加76kN压力。采用动力设备驱动工作台以2r/min的转速旋转，带动钛合金样品旋转，滚针在钛合金样品表面滚压30min使钛合金样品表面产生强烈塑性变形，从而在钛合金样品表面形成梯度纳米晶层。
铝块打磨去氧化层并在无水乙醇中超声清洗，同时在无水乙醇中对表面纳米化后的钛合金样品进行超声清洗，将表面纳米化的钛合金压入铝块中使铝块包裹住钛合金样品经纳米化处理的表面。钛合金样品平置于坩埚中，放入管式炉炉腔，开启真空泵抽真空，然后通入氩气保护，加热至700℃并保温1小时。
综上，试验1中采用的工艺参数为：滚压压力为76kN，工作台旋转速度为2r/min，滚压时间为30min，扩渗铝温度为700℃，扩渗铝时间为1小时。
试验2
不对钛合金样品表面进行纳米化处理，采用试验1中液态扩渗铝工艺直接处理钛合金样品，即：铝块打磨去氧化层并在无水乙醇中超声清洗，同时在无水乙醇中对钛合金样品进行超声清洗，将钛合金压入铝块。钛合金样品平置于坩埚中，放入管式炉炉腔，开启真空泵抽真空，然后通入氩气保护，加热至700℃并保温1小时。
综上，试验2中采用的工艺参数为：扩渗铝温度为700℃，扩渗铝时间为1小时。
图1为本实施例试验1中钛合金样品经表面纳米化处理所得梯度纳米晶层的金相组织图，从该图可以看出，经表面纳米化处理后，钛合金样品表面形成约100微米厚的梯度纳米晶层。
图2为本实施例钛合金样品经表面纳米化处理所得梯度纳米晶层的TEM图，从该图可以看出，经表面纳米化处理后，钛合金样品表面形成晶粒尺寸约25纳米的梯度纳米晶层。
图3为本实施例所得钛合金表面涂层的SEM图，图(a)为试验1所得涂层的SEM图，其中，亮白色区域经能谱分析检测为钛合金区，暗黑色区域检测为铝，灰白色物质为反应生成的化合物TiAl3，TiAl3扩散反应层厚度达到400μm。图(b)为试验2所得涂层的SEM图，其中，TiAl3扩散反应层厚度仅10μm，且扩散反应层与基体间还存在明显界面。
实施例2
试验1
除了液态扩渗铝处理中扩渗铝时间为1.5h外，本实施例试验1的工艺流程和其他工艺参数均同实施例1试验1。
试验2
除了液态扩渗铝处理中扩渗铝时间为1.5h外，本实施例试验2的工艺流程和其他工艺参数均同实施例1试验2。
图4为本实施例所得钛合金表面涂层的SEM图，其中，图(a)为试验1所得钛合金表面涂层的SEM图，其中可见扩散反应层厚度平均约650μm，最大可达到1000μm，距钛合金基体越近，TiAl3相分布越密集；越远TiAl3相分布越稀疏，大致呈梯度分布状态。图(b)为试验2所得钛合金表面涂层的SEM图，其中可见只形成了约30μm厚的扩散反应层，且扩散反应层与基体间存在明显界面。
实施例3
试验1
除了液态扩渗铝处理中扩渗铝时间为4h外，本实施例试验1的工艺流程和其他工艺参数均同实施例1试验1。
试验2
除了液态扩渗铝处理中扩渗铝时间为4h外，本实施例试验2的工艺流程和其他工艺参数均同实施例1试验2。
图5为本实施例所得钛合金表面涂层的SEM图，图(a)为试验1所得钛合金表面涂层的SEM图，其中可见扩散反应层厚度平均约810μm。图(b)为试验2所得钛合金表面涂层的SEM图，其中可见只形成了约100μm厚的扩散反应层。此外，试验2所得扩散反应层与基体的界面基本平整，而试验1所得扩散反应层与基体间为参差交错的界面，不易脱落。
实施例4
试验1
除了液态扩渗铝处理中扩渗铝时间为7h外，本实施例试验1的工艺流程和其他工艺参数均同实施例1试验1。
试验2
除了液态扩渗铝处理中扩渗铝时间为7h外，本实施例试验2的工艺流程和其他工艺参数均同实施例1试验2。
图6为本实施例所得钛合金表面涂层的SEM图，图(a)为试验1所得钛合金表面涂层的SEM图，其中可见扩散反应层厚度平均约1500μm。图(b)为试验2所得钛合金表面涂层的SEM图，其中可见扩散反应层厚度仅400μm，试验2所得扩散反应层与基体间存在明显界面，而试验1所得扩散反应层则呈梯度分布状态，界面为参差交错的界面，不易脱落。

Claims (3)

1.一种钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法，其特征是，包括：
步骤1，对钛合金样品表面进行纳米化处理，具体为：
将钛合金样品夹持于夹具上，并将夹具固定于旋转工作台上；采用液压系统驱动压头底座使镶嵌于压头底座上的滚针压入钛合金样品表面并对滚针保持施加压力；采用动力设备驱动旋转工作台旋转从而带动钛合金样品旋转，滚针在钛合金样品表面滚压使钛合金样品表面产生强烈塑性变形，从而在钛合金样品表面形成梯度纳米晶层；所述的滚针材料硬度大于钛合金样品硬度；
步骤2，对表面纳米化处理后的钛合金样品进行液态扩渗铝处理，具体为：
打磨并清洗铝块，将钛合金样品压入铝块，使铝块包裹住钛合金样品经纳米化处理的表面，在惰性气体氛围下加热至700℃～900℃并保温1～7小时，即可在钛合金样品表面获得复合涂层。
2.如权利要求1所述的钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法，其特征是：
步骤1所获得的梯度纳米晶层厚度不小于50μm，梯度纳米晶层中晶粒粒径不超过100nm。
3.如权利要求1所述的钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法，其特征是：
步骤1中滚压压力为45～200kN，工作台旋转速度为1～30r/min，滚压时间为5～60min。
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