CN109750251A - 一种在Ti-45Al-8.5Nb合金表面制备Ni涂层的方法 - Google Patents

一种在Ti-45Al-8.5Nb合金表面制备Ni涂层的方法 Download PDF

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张敏
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Abstract

本发明公开了一种在Ti‑45Al‑8.5Nb合金表面制备镍（Ni）涂层的方法，属于钛铝合金材料表面改性领域，具体涉及到一种在钛铝合金表面制备Ni涂层的办法。本发明方法是通过双层辉光离子渗金属技术在Ti‑45Al‑8.5Nb合金表面涂覆一层高熔点金属镍（Ni）来结合二者的优势，如高温、高强度、耐腐蚀等，以此扩宽钛铝合金的使用范围。主要包括以下步骤：首先将制备好的Ti‑45Al‑8.5Nb合金放置双层辉光离子渗金属炉，以Ni板作为溅射靶极材料，通过调节双层辉光离子渗金属工艺参数，可以制备出不同形态的Ni涂层。本发明方法操作简单，效率高，可行性强。

Description

一种在Ti-45Al-8.5Nb合金表面制备Ni涂层的方法
技术领域
本发明属于钛铝合金表面改性领域，是通过表面防护涂层制备技术在Ti-45Al-8.5Nb合金表面形成Ni涂层，该方法操作简单，可调节参数多，制备出的涂层均匀，致密，无裂缝，与Ti-45Al-8.5Nb合金结合牢固。
背景技术
钛铝合金属于轻质合金，由于具有低密度、高的比强度，高弹性模量以及高的抗蠕变性能等良好的综合力学性能，因而被广泛应用在航空，航海，汽车，医学等领域。随着国内外学者对钛铝合金的研究，他们将γ-TiAl合金分为两大类，分别是普通Ti-Al合金和高温Ti-Al合金。其中高温Ti-Al合金是以高Nb含量为特征，一般Nb含量在5%以上，与普通Ti-Al合金相比，高Nb钛铝合金的优势在于它的密度变化不大，约为4.3g/cm3是传统镍基高温合金的一半，但由于加入Nb以后提高了钛铝合金的固相线，使钛铝合金的工作温度提高60-100℃，接近传统镍基高温合金的使用温度，强度提高300-500Mpa，抗蠕变性能也得到提高，此外高Nb钛铝合金的显微组织和普通钛铝合金基本相同，因此有非常广阔的应用前景。然而高Nb钛铝合金的脆性大，抗腐蚀性能不足，会限制轻质钛铝合金在各个领域的进一步应用。然而金属Ni熔点高，约为1453.0℃，韧性、塑性很好，并且还是一种很好的耐腐蚀的金属，被广泛的应用在机械零件表面的修复和保护。因此通过表面改性技术可以将金属Ni涂敷在轻质钛铝合金表面。
在目前科技高速发展的大背景下，相比对传统钛铝合金进行表面改性来说，对高Nb钛铝合金进行表面改性会进一步扩宽轻质钛铝合金在各个领域的应用。双层辉光离子渗金属技术是由我国徐重教授研究出来，该技术有其独有的优势：其一，双层辉光离子渗金属的原理是扩散机制，所以制备出的涂层的金属含量是渐变的，具有梯度的，稳定的；其二，涂层和基体之间的结合属于冶金结合，截面处不存在性能突兀的截面，结合更为牢固，不易脱落；其三，渗金属材料选择范围很宽，只要所渗材料和欲渗材料之间有一定固溶度都可以实施；其四，双层辉光离子渗金属技术可调价参数多，渗金属温度、时间等参数都可调节，通过调节这些参数可控制涂层的形态；除此之外，从工艺角度来说该技术操作简单，成本不高，操作过程无毒，不污染环境。因此我们通过双层辉光离子技术在Ti-45Al-8.5Nb合金表面制备Ni涂层是一种新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种在Ti-45Al-8.5Nb合金表面制备Ni涂层的方法，为在钛铝合金表面制备耐腐蚀的涂层提供一种新的方向。其具体工艺步骤为：
1、制备Ti-45Al-8.5Nb合金：
(1)、将高纯海绵Ti(＞99.99%)、高纯度Al(＞99.95%)、Nb(＞99.95%)原料按Ti-45，Al-8.5，Nb的比例进行配比；
(2)、采用真空电弧炉熔炼成配比好的原料，然后用铜模铸造成合金锭；
(3)、用电火花线切割将合金锭切割成大小为10×10×5mm的方块合金样品，并用SiC砂纸将合金样品四周从400#打磨至2500#，然后放入超声波中用酒精洗净晾干，为双层辉光离子渗金属做准备；
2、通过双层辉光离子渗金属技术给Ti-45Al-8.5Nb表面渗金属镍(Ni)：
(1)、使用的设备为双层辉光离子渗金属炉，把Ti-45Al-8.5Nb合金样品放置到双层辉光渗金属炉内，用金属Ni作为溅射靶材，并给炉内充入纯度为99.99%的氩气；
(2)、设置渗金属时长1-3h，温度为800℃-1000℃，制备不同形态的涂层；
(3)、当实际温度达到设置温度时给栅极的两端通入低电压大电流，并进行保温；
(4)、达到保温时间后，关闭电源，待温度降至室温时，将Ti-45Al-8.5Nb样品拿出。
3、用XRD，SEM，EDS等方法对制备好的涂层进行表征，分析涂层形态以及和基体间的结合。
本发明所述是通过双层辉光离子渗金属技术在Ti-45Al-8.5Nb制备Ni涂层。渗金属中Ni为溅射靶材，渗金属时长为1-3h，温度为800℃-1000℃。
本发明的优点在于通过双层辉光离子渗金属技术制备的涂层中的金属含量是有梯度的，化学性能稳定，涂层与Ti-45Al-8.5Nb合金间实现冶金结合，结合更加牢固，没有性能突兀的界面。调节不同的工艺参数，可以制备出不同形态的涂层。在Ti-45Al-8.5Nb合金表面渗Ni，对合金的力学性能没有很大影响。
本发明的优点在于通过给高Nb钛铝合金表面制备Ni涂层，可扩宽Ti-Al合金表面涂层制备技术领域，并且应用在蜗轮发动机和压气机转轴等部件中不仅可以有效的达到减重目的还可以提高合金的使用寿命。
附图说明
图1双层辉光离子800℃渗Ni后的表面形貌，表面是一些鼓起来的颗粒，这些颗粒大小不均匀，但连接比较致密；
图2双层辉光离子800℃渗Ni后的XRD；
图3 800℃双层辉光离子渗Ni后的截面形貌，涂层厚度为2.5μm，涂层致密均匀，没有气孔和裂纹并与Ti-45Al-8.5Nb结合牢固；
图4双层辉光离子900℃渗Ni后的表面形貌，表面是一些隆起的块状颗粒，表面较粗糙并且颗粒之间有缝隙；
图5双层辉光离子900℃渗Ni后的XRD；
图6 900℃双层辉光离子渗Ni后的截面形貌，涂层厚度增加，涂层厚度为5.43μm，涂层致密均匀，没有气孔和裂纹并与Ti-45Al-8.5Nb结合牢固。
具体实施方式
实施例1
1、制备Ti-45Al-8.5Nb合金：
(1)、将高纯海绵Ti(＞99.99%)、高纯度Al(＞99.95%)、Nb(＞99.95%)等原料按设计的Ti-45Al-8.5Nb比例进行配比；
(2)、采用真空电弧炉熔炼成配比好的原料，然后用铜模铸造成合金锭；
(3)、用电火花线切割将合金锭切割成大小为10×10×5mm的方块合金样品，并用SiC砂纸将合金样品四周从400#打磨至2500#，然后放入超声波中用酒精洗净晾干，为双层辉光离子渗金属做准备；
2、通过双层辉光离子渗金属技术给Ti-45Al-8.5Nb表面渗金属镍(Ni)：
(1)、使用的设备为双层辉光离子渗金属炉，把Ti-45Al-8.5Nb合金样品放置到双层辉光渗金属炉内，用金属Ni作为溅射靶材，并给炉内充入纯度为99.99%的氩气；
(2)、设置渗金属时长2h，温度为800℃；
(3)、当实际温度达到设置温度时给栅极的两端通入低电压大电流，随后保温2h；
(4)、达到保温时间后，关闭电源，待温度降至室温时，将Ti-45Al-8.5Nb样品拿出。
3、用XRD，SEM等方法对制备好的涂层进行表征，分析涂层形态以及和基体间的结合，得到厚度为2.5μm的涂层(图3)，涂层均匀，致密并与Ti-45Al-8.5Nb合金结合牢固；
实施例2
1、制备Ti-45Al-8.5Nb合金：
(1)、将高纯海绵Ti(＞99.99%)、高纯度Al(＞99.95%)、Nb(＞99.95%)等原料按设计的Ti-45Al-8.5Nb比例进行配比；
(2)、采用真空电弧炉熔炼成配比好的原料，然后用铜模铸造成合金锭；
(3)、用电火花线切割将合金锭切割成大小为10×10×5mm的方块合金样品，并用SiC砂纸将合金样品四周从400#打磨至2500#，然后放入超声波中用酒精洗净晾干，为双层辉光离子渗金属做准备；
2、通过双层辉光离子渗金属技术给Ti-45Al-8.5Nb表面渗金属镍(Ni)：
(1)、使用的设备为双层辉光离子渗金属炉，把Ti-45Al-8.5Nb合金样品放置到双层辉光渗金属炉内，用金属Ni作为溅射靶材，并给炉内充入纯度为99.99%的氩气；
(2)、设置渗金属时长2h，温度为900℃；
(3)、当实际温度达到设置温度时给栅极的两端通入低电压大电流，随后保温2h；
(4)、达到保温时间后，关闭电源，待温度降至室温时，将Ti-45Al-8.5Nb样品拿出。
3、用XRD，SEM等方法对制备好的涂层进行表征，分析涂层形态以及和基体间的结合，得到厚度为5.43μm的涂层(图6)，涂层均匀，致密并与Ti-45Al-8.5Nb合金结合牢固。

Claims (3)

1.一种在Ti-45Al-8.5Nb合金表面制备Ni涂层的方法，其特征是包括以下步骤：
首先通过真空电弧炉制备Ti-45Al-8.5Nb合金，然后通过双层辉光离子渗金属技术渗入Ni金属，使Ti-45Al-8.5Nb合金表面形成Ni涂层。
2.如权利要求1所述的一种在Ti-45Al-8.5Nb合金表面制备Ni涂层的方法，其特征在于，选用的基体合金为Ti-45Al-8.5Nb合金，通过对合金表面进行双层辉光离子渗金属，制备具有韧性、塑性及耐腐蚀性好的Ni金属涂层。
3.如权利要求1所述的一种在Ti-45Al-8.5Nb合金表面制备Ni涂层的方法，其特征在于对Ti-45Al-8.5Nb合金进行渗Ni金属时，给炉内充入纯度为99.99%的氩气，设置渗金属时长为1-3 h，渗金属温度为800℃-1000℃，当实际温度达到设置温度时给栅极的两端通入低电压大电流，制备出不同形态的涂层。
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