CN109628877A - 一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，(1)对钛基材料进行喷丸处理；(2)对清理好的钛基材料的表面附着铝箔材料；(3)对附着有铝箔材料的钛基材料进行加热处理；(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于钛基材料上；(5)将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使钛基材料在表层与铝系材料形成改性层。与现有技术相比，本发明制得的改性层具有良好的密度小、抗氧化性能、抗蠕变性能、高温强度和较高的弹性模量比强度、比刚度，断裂韧性高等特点，具有广泛的工程应用前景。

Description

一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，尤其是涉及一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法。
背景技术
随着航空航天科学技术的发展，动力装置对高温结构材料的性能要求越来越高，以致目前广泛使用的镍基合金的工作温度已经接近使用极限。以金属间化合物为基体的合金是近年来正在发展的一种新型的金属结构材料，它以相图中间区域的有序合金为基体，其原子间排列有序、结合力强，兼有金属键和共价键的特征，有望填补镍基高温合金和先进高温陶瓷在使用上的空隙。钛铝基合金作为其中一种典型的代表，以其低密度、高强度、高熔点、高弹性模量、耐腐蚀和优良的高温抗蠕变性能等优点，成为航空航天、工业燃气轮机以及汽车工业中最具潜力的高温结构材料之一，引起各国科学家及有关部门极大的关注。
美国等一些国家在发展高性能涡轮机技术方面，为了进一步提高其比推力，对钛铝金属间化合物(以Ti3Al和TiAl金属间化合物为基的合金)作了深入的研究工作。为了减轻重量及利用钛铝金属间化合物耐高温的性能，这类材料一般用在性能要求较高的部位。由于其塑性和韧性的限制，其综合性能还有一定缺陷。为了使高性能涡轮机的比推力提高一倍，就必须大力发展钛铝金属间化合物。因此，对这类材料的研究与开发具有重要的经济价值。
目前的TiAl基合金的制备方法有：熔铸技术(熔模精密铸造、真空离心铸造、悬浮熔铸)、粉末冶金技术(如粉末模压、粉末挤压烧结等)，以及压加技术(如挤压、锻造、轧制和板材成型等)。这些方法熔炼TiAl基合金均有所不足，如所形成的熔池较浅，熔体温度难以维持，这对成分精确度和均匀性要求较高的TiAl基合金构成不利影响，同时工艺过程复杂，造成成本较高。
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制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：
(1)对钛基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；
(2)对清理好的钛基材料的表面附着铝箔材料；
(3)对附着有铝箔材料的钛基材料进行加热处理；
(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于钛基材料上；
(5)将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使钛基材料在表层与铝系材料形成改性层。
步骤(1)中钛基材料在气压0.7MPa进行喷丸处理，采用钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
步骤(2)中采用的铝箔材料的厚度为15-30um。
步骤(3)中通过电加热装置进行加热处理，附着有铝箔材料的钛基材料加热至350-450℃。
步骤(4)进行喷丸处理的气压为0.2MPa，温度为350-450℃，采用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
步骤(5)进行喷丸处理的气压为0.2-0.4MPa，温度为300-500℃，采用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
通过上述方法形成的改性层为钛基材料-钛铝合金-铝系材料的“三明治”结构。
本发明中，钛基材料铝系合金机械结合改性层的一种制备方法是采用运动的粒子冲击被加热的工件表面，粒子的运动(机械能)激活表面点阵原子，形成空位，降低了扩散激活能，将纯热扩渗的点阵扩散变为点阵缺陷扩散，从而在较低温度下，将铝渗入钛基体，在表层形成钛铝金属化合物。
本发明利用喷丸强化工艺可以促使在原子扩散的同时，提供温度及冲击能量，帮助原子获得所需的扩散激活能，进一步促进元素的扩散，加快扩散源与基体材料界面的接触。表面合金化改性层的性能保证是两个固体之间的浓度梯度和扩散通道以及扩散源原子能够克服晶格的势垒。表面合金化为原子的扩散提供了大量的短程扩散通道，解决了扩散通道的问题，可以降低扩散温度、缩短扩散时间。采用一定工艺参数下的喷丸强化，对无论是间隙扩散还是空位扩散时原子跃迁要克服的周围原子的势垒，即需要扩散激活能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼统计学理论，扩散激活能通常是通过原子的热振动所获得的。温度越高，原子获得的能量越大。为了使原子在较低温度下也能获得与高温下相当的能量，则需要外界能量的输入。在原子扩散的同时，一定温度下的喷丸处理可以帮助原子获得所需的扩散激活能，进一步促进元素的扩散，瞬态位错和空位也会促进元素的深层扩散。通过试验研究，得到钛基铝系表面合金化的最优喷丸参数区间为气压0.2MPa，温度为350-450℃以及气压为0.2-0.4MPa，温度为300-500℃。
与现有技术相比，本发明制得的改性层具有良好的密度小、抗氧化性能、抗蠕变性能、高温强度和较高的弹性模量比强度、比刚度，断裂韧性高等特点，具有广泛的工程应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提出的制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，包括以下步骤：
S1：对钛基材料在气压0.4MPa进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；喷丸所使用的钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
S2：将清理好的钛基材料表面附着上铝箔材料，铝箔厚度15-30um；
S3：采用电加热装置对工件进行加温，加热到350-450℃；
S4：将加热到350-450℃的工件进行喷丸处理，使铝系材料粘附于钛基材料上；喷丸工艺为气压0.2MPa，钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
S5：将附着铝箔材料的工件再次喷丸处理，使钛基材料在表层与铝系材料形成改性层。喷丸工艺为气压0.2-0.4MPa，温度300-500℃，钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。
实施例1
一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：
(1)利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450的钢丸，在气压0.7MPa对钛基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；
(2)对清理好的钛基材料的表面附着厚度为15um的铝箔材料；
(3)利用电加热装置，对附着有铝箔材料的钛基材料加热至350℃；
(4)保持上述温度，利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450的钢丸，在气压0.2MPa对对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于钛基材料上；
(5)控制温度为300℃，将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450，气压控制在0.2MPa，使钛基材料在表层与铝系材料形成钛基材料-钛铝合金-铝系材料的“三明治”结构的改性层。
实施例2
一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：
(1)利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV500的钢丸，在气压0.7MPa对钛基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；
(2)对清理好的钛基材料的表面附着厚度为25um的铝箔材料；
(3)利用电加热装置，对附着有铝箔材料的钛基材料加热至400℃；
(4)保持上述温度，利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV500的钢丸，在气压0.2MPa对对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于钛基材料上；
(5)控制温度为400℃，将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV500，气压控制在0.3MPa，使钛基材料在表层与铝系材料形成钛基材料-钛铝合金-铝系材料的“三明治”结构的改性层。
实施例3
一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：
(1)利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV550的钢丸，在气压0.7MPa对钛基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；
(2)对清理好的钛基材料的表面附着厚度为30um的铝箔材料；
(3)利用电加热装置，对附着有铝箔材料的钛基材料加热至450℃；
(4)保持上述温度，利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV550的钢丸，在气压0.2MPa对对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于钛基材料上；
(5)控制温度为500℃，将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV550，气压控制在0.4MPa，使钛基材料在表层与铝系材料形成钛基材料-钛铝合金-铝系材料的“三明治”结构的改性层。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)对钛基材料进行喷丸处理；
(2)对清理好的钛基材料的表面附着铝箔材料；
(3)对附着有铝箔材料的钛基材料进行加热处理；
(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于钛基材料上；
(5)将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使钛基材料在表层与铝系材料形成改性层。
2.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(1)中所述钛基材料在气压0.4MPa进行喷丸处理。
3.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(1)中抛丸采用的钢丸粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
4.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(2)中采用的铝箔材料的厚度为15-30um。
5.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(3)中通过电加热装置进行加热处理。
6.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(3)将附着有铝箔材料的钛基材料加热至350-450℃。
7.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(4)进行喷丸处理的气压为0.2MPa，温度为350-450℃。
8.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(4)中抛丸采用的钢丸粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
9.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(5)进行喷丸处理的气压为0.2-0.4MPa，温度为300-500℃。
10.根据权利要求1所述的一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(5)中抛丸采用的钢丸粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
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