CN110923636B - γ-TiAl合金表面电子束复合等离子合金化处理方法 - Google Patents

γ-TiAl合金表面电子束复合等离子合金化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种γ‑TiAl合金表面电子束复合等离子Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y合金化处理方法。本发明的处理方法包括以下步骤：(a)靶材为Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为15～20wt％Co，15～20wt％Cr，5～10wt％Al，2～4wt％Si，0～0.5wt％Pt，0～0.5wt％Y以及余量Ni，基体材料为γ‑TiAl合金；(b)在γ‑TiAl合金表面进行电子束预处理；(c)在γ‑TiAl合金表面进行双层辉光等离子Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y合金化，制备Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y合金层。本发明通过电子束预处理工艺对基体预处理，使双层辉光等离子表面合金化的工艺温度降低约200～250℃，同时所制备的Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y合金层中，元素的扩散深度显著增加，比较直接进行双层辉光等离子表面合金化的合金扩散层，厚度从3～5μm增加到7～9μm。

Description

γ-TiAl合金表面电子束复合等离子合金化处理方法
技术领域
本发明涉及一种合金材料表面处理方法，特别涉及一种γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法。
背景技术
TiAl基合金具有低密度、高弹性模量、高的比强度和抗蠕变性，使得其作为结构材料在航天、航空、化工、汽车等领域有广泛的应用前景，然而TiAl基合金性能上存在的如室温脆性等缺陷，限制了其更广泛的应用。目前已通过细化晶粒，添加合金元素使其形成(γ+α2)双相合金，已基本达到实际应用对室温力学性能的要求，但TiAl基合金在高温下抗氧化性能不足仍然是限制其应用的突出问题。TiAl基合金抗氧化性能差是由于TiO2和Al2O3的形成自由能较近，TiO2的形成速度快于Al2O3的形成速度，TiO2氧化膜呈疏松层状结构，因此TiAl基合金表面在高温下不能形成完整而致密的保护性氧化膜，限制了其在更高温度下的应用。
由于TiAl基合金表面抗高温氧化性不能满足使用要求，为了提高TiAl基合金的抗高温抗氧化性，有必要对TiAl基合金表面进行合适的处理。近些年，越来越多的表面改性技术的兴起，为TiAl基合金表面改性处理提供了许多思路和处理途径，而提高TiAl基合金表面抗高温氧化性的关键就是在合金表面形成保护性的氧化膜，因此提高TiAl基合金抗高温氧化能力的途径主要有三种，整体合金化、表面改性和高温涂层，但整体合金化对合金整体性能影响较大。表面改性方法包括离子注入技术、双层辉光等离子合金化技术和物理气相沉积技术等，通过对合金表面合金化处理，来得到更好的表面性能。高温涂层包括陶瓷类涂层，热障涂层(TBCs)和合金类MCrAlY系涂层等，在合金表面制备防护涂层，可以有效地提高合金表面的抗高温氧化性能。
合金类MCrAlY系涂层(M为Fe，Ni，Co或Ni+Co)是常见的高温防护涂层和热障涂层的粘结层，具有良好的高温抗氧化性能，抗热腐蚀性，塑性和粘附性，其在高温防护领域内的应用很广，常见的合金体系有FeCrAlY、NiCrAlY、CoCrAlY、NiCoCrAlY等。NiCoCrAlY合金层作粘结层，其的高温防护综合性能较好且不会与表面陶瓷层YSZ发生化学反应，因此成为首选制备高温防护涂层和热障涂层金属粘结层的合金体系，Ni+Co是合金层的基本元素，降低互扩散系数，以减小合金层与基体间的互扩散。Co具有优良的抗热腐蚀性能，保证了合金层在高温条件下具有优良的综合抗腐蚀性能。对于Ni-Cr-Al三元系，Cr元素起第三元素作用，可降低Al2O3膜形成所需要的临界Al含量，同时在氧分压不太高的情况下，Cr2O3膜具有很好的抗高温热腐蚀和氧化性能，能对基体材料提供的保护。Al用于提供合金层的抗氧化性，适量的铝能保证Al2O3的形成，但Al含量过高通常会使合金层变脆，易于生成裂纹。适量的稀土元素Y可以细化晶粒，改善合金层的力学性能涂层，氧化时富Y相在膜基界面处偏聚对氧化膜起钉扎作用改善氧化膜与基体的结合力，同时改善合金层的抗震性，降低氧化铬的生长速率。目前，有许多国内专家学者在添加活性元素来改善NiCoCrAlY合金层防护性能方面发现添加一定量的Hf、Ta、Re等能够进一步改善NiCoCrAlY合金层的氧化行为，从而表明在改善NiCoCrAlY合金层防护性能方面这些活性元素与稀土Y具有很好的协同作用。合金层中加入Si，可以形成Si的氧化物SiO2，SiO2比Cr2O3在高温下有更好的保护性，并且在高于1000℃时Cr2O3容易变为CrO3挥发,Si能够稳定β-NiAl相，同时还可能阻碍亚稳态的Al2O3的形成。Clemens D等人在《TEM and SNMS studies of protective alumina scales onNiCrAlY-alloys》中提到，等温氧化时，Si对氧化生长速率影响不大；在循环氧化时，添加1-2wt.％的Si可以推迟氧化层发生剥落的时间。Yang Yingfei等人在《Modification ofNiCoCrAlY with Pt:Part I.Effect of Pt depositing location and cyclicoxidation performance》中提到，Pt在高温下能够有效抑制涂层与基体间的相互扩散，尤其是高温合金中的难熔金属元素；同时有研究表明在含铝涂层中存在Pt，可以增强了高温暴露时涂层基体上形成的氧化铝氧化铁皮的附着力，从而提高了其抗氧化性。
目前，制备MCrAlY合金层已经成熟的技术有等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积技术。但是，这两种制备技术也存在一些不足，如：等离子喷涂技术制备的合金层中，存在较多的疏松与孔洞以及片层结构界面，均可能成为氧、硫等侵入的通道以及合金层失效的裂纹源；而电子束物理气相沉积技术，存在沉积速率较低、设备造价昂贵、受元素蒸汽压的影响，合金层的成分控制较困难、基体零件需要加热且试样尺寸不能太大等不足。随着表面工程技术的发展，许多新型合金层制备技术被应用到MCrAlY合金层的制备中，有双层辉光等离子合金化技术、超音速火焰喷涂技术、激光熔覆技术和电子束重熔技术等，其中双层辉光等离子合金化技术相对于其它制备技术，由于在许多方面具有突出的优势，使之成为具代表性的新型MCrAlY合金层制备技术。周鹏在其硕士论文《TiAl基合金双辉等离子渗NiCoCrAlY工艺及其性能研究》中提到，在TiAl基合金表面通过双层辉光等离子合金化技术制备的NiCoCrAlY合金层表现出良好的耐磨性和抗高温氧化性能，但同时他发现双层辉光等离子合金化工艺温度高导致基体晶粒粗大，性能降低和合金层与基体结合力较差的问题。
双层辉光等离子表面合金化技术是在真空密封容器内，以金属炉壳为阳极，另设置两个阴极，其一为源极，放置靶材；另一阴极为工件极，放置预处理工件，在源极和阳极之间以及工件与阳极之间各设一个独立可控的电源。将真空室抽真空后，充入一定的氩气，接通电源，便会在阳极与源极以及阳极与工件极之间产生两组辉光放电现象，此即为双层辉光放电。利用辉光放电所产生的氩离子轰击源极，将靶材中的金属元素从源极表面轰击出来，并通过空间运输高速到达工件表面。与此同时，氩离子对工件表面的轰击使工件加热升温，工件表面的高温状态易于源极溅射出的离子扩散渗入形成表面冶金结合的合金层。但双层辉光等离子表面合金化的高工艺温度对基体有很大的损伤，双层辉光等离子表面合金化方法的工艺温度较高会引起TiAl基合金基体晶粒回复再结晶，在基体内部会形成粗大晶粒，对基体性能有一定的影响。王锦在其硕士论文《TC4钛合金超声冲击表面纳米化及高温退火组织与性能研究》中提到，工艺温度达到800℃以上，钛合金基体发生回复再结晶，导致晶粒粗大，显微硬度和热稳定性都有所降低。
由于双层辉光等离子表面合金化工艺温度较高，对TiAl基合金性能影响较大，且制备MCrAlY系合金扩散层厚度小，与基体结合力差，所以需要其工艺温度进行优化。表面预处理工艺可改变表面结构，对后续表面改性工艺的参数选择提供很大的选择空间。近些年，激光束、离子束和电子束处理技术(简称“三束”)作为新兴的表面预处理工艺，已得到了广泛的应用。离子束处理工艺的特点在于可以低真空下进行处理，低工艺温度减少了对基体性能的影响，可以细化晶粒增加缺陷，但表面处理层较浅，易溅射，效果差。激光束处理工艺的特点是工件变形小、快速加热、快速冷却和在线加工等，但需要在特殊保护氛围下进行，易反射，成本大效率低。与离子束和激光束相比，电子束注入的能量在电子束的射程范围内，其作用深度远大于离子束和激光束，因此可以获得较深的改性层，并且不存在激光的反射和离子束注入的溅射等问题。在表面改性过程中，电子束和激光束处理只引入能量而不引入杂质，而离子注入则可在沉积能量的同时直接改变材料表面的成分。
电子束处理技术按照表面改性效果分为几种类型，包括表面淬火处理，表面合金化处理，表面非晶化处理和表面薄层退火处理等。其中电子束表面淬火处理即为电子束预处理工艺，是指电子束斑平均功率密度在106～109W/cm2的范围内，通过控制一定的轰击作用时间，可以使金属受轰击表面达到相变温度或熔点以上，电子束停止加热后由于基本上处于室温状态，表面层所获得的热量通过工件自身的热传导迅速传递给“基体”，使加热表面快速冷却，冷却速度可达104～106℃/S，这样就可以获得“自淬火”的效果，获得细化均匀的超细组织，从而使材料表面缺陷密度大大提高，改善材料表面组织结构，还可以使表层中组成相的化学元素重新分布，降低元素的微观偏析，提高金属的表面性能。张向东在其博士论文《强流脉冲电子束钛基和镍基合金表面改性》中提到，对钛合金TA15进行电子束表面改性处理，原始组织中主含有等轴α相晶粒，尺寸为3μm，从SEM拍摄的处理后的样品上看，样品表面呈现波纹状起伏特征，表面发生细化，晶粒从3μm达到1μm，且等轴晶内有极细的层片状组织。
发明内容
发明目的：针对现有的技术问题，本发明提供了一种γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，将电子束预处理工艺和双层辉光等离子表面合金化方法结合，通过表面预处理，使得γ-TiAl表面晶粒细化，缺陷密度提高，元素扩散激活能降低，使得双层辉光等离子表面合金化方法工艺温度降低。
技术方案：本发明所述的一种γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，包括以下步骤：
(a)靶材为Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为15～20wt％Co，15～20wt％Cr，5～10wt％Al，2～4wt％Si，0～0.5wt％Pt，0～0.5wt％Y以及余量Ni组成，基体材料为γ-TiAl合金；
(b)在γ-TiAl合金表面进行电子束预处理；
(c)在γ-TiAl合金表面进行双层辉光等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化，制备Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金层。
可选地，靶材安装前，用01#砂纸打磨除掉氧化层，经无水乙醇中超声清洗后烘干。
可选地，基体材料为铸造γ-TiAl基金属间化合物合金，利用电火花线切割技术，将基体制成尺寸为15mm×15mm×4mm的试样，试样在安装前，然后用代号为0#、01#、02#、03#、05#、06#、07#砂纸打磨后，用3.5μm金刚石研磨膏抛光，经丙酮溶液超声清洗后，烘干。
步骤(b)中，所述电子束预处理在对γ-TiAl合金表面进行预处理包括以下步骤：
(1a)腔室真空度至9.0×10-3～2.1×10-2Pa，电子枪室真空度至1.6～7.0×10- 3Pa；
(1b)加速电压50～70kV，电子束电流5～13mA，聚焦电流400～600mA，电子束先通过聚焦线圈聚焦，后进入电场加速，下束时间5～10s；
(1c)电子束采用正弦波动轨迹扫描，分两次扫描，第一次低功率低频扫描，第二次高功率高频扫描。
步骤(1b)中，所述电子束进入第一组聚焦线圈，经过5μs延迟后发出进入电场，未按照规定方向进入电场的电子，进入两侧装有第二组聚焦线圈的通道，再次改变其方向成规定方向，经过2μs时间延迟后发出进入电场，进入电场后的电子束在加速5μs后形成高能电子束发出，第一组聚焦线圈螺旋线内半径25mm，匝数80，第二组聚焦线圈螺旋线内半径15mm，匝数30。
步骤(1c)中，所述正弦波动轨迹扫描是通过对载物盘的X轴与Y轴设定来控制，电子束沿X轴方向移动，试样沿Y轴方向移动。正弦波幅值50mm，频率500Hz。
步骤(1c)中，所述低功率低频扫描的功率密度1400～1600W/mm2，扫描频率50～60Hz，扫描完成后，顺时针调转载物盘90°，进行高功率高频扫描，高功率高频扫描的功率密度3000～4500W/mm2，扫描频率120～160Hz，低功率低频扫描与高功率高频扫描的运行方向处于垂直关系。
步骤(c)中，所述双层辉光等离子表面合金化方法采用分级保温：
(2a)炉腔抽真空至真空度0.2～0.4Pa以下；
(2b)进行腔室洗气2～5次，通入氩气保持腔室气体压强为42～44Pa；
(2c)打开电源电极，分级保温；
(2d)结束保温，分别降低源极电压至500V、400V、300V、200V，每级电压分别保温10-15min后，关闭源极电源，待温度降至100～150℃，开炉取样。
步骤(2c)中所述的分级保温工艺，首先控制工件极电压400～450V，源极电压600～650V，保温温度500～550℃，保温时间0～0.5h；随后，升高工作极电压到500～550V，源极电压到600～700V，保温温度升至650～700℃，保温时间1～1.5h。
本发明预处理工艺采用电子束预处理工艺，在处理γ-TiAl合金表面过程中，正弦波扫描轨迹运动可以有效避免线扫轨迹重复导致的热重影响，也可以避免环扫轨迹的固定扫描区形状的问题。成束工艺可以进一步提高进入电场中的电子数量，从而提高从电场中发射出来的电子束能量，电子束能量效率可从85％提高到95％。扫描方式可以避免过低频率的电子束会导致表面不同位置晶粒度差异较大，表面结构不平衡，或过高功率的电子束快速轰击表面，易产生电子反溅射，能量损失大，工作效率下降。预处理后的组织为细小等轴的基体相γ-TiAl和细小针叶状过饱和相α2，可以降低Ni、Co、Cr、Al、Si、Pt、Y元素扩散激活能。
采用双层辉光等离子表面合金化方法制备Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金层的过程中，分级保温处理可以避免长时间高压高温对γ-TiAl基体的影响，也可以有效促进合金元素的扩散。结果双层辉光等离子表面合金化方法的工艺温度从900℃降低到650～700℃，合金扩散层(即为靶材在基体中扩散的扩散层)厚度从3～5μm增加到7～9μm。表面显微硬度从840～865HV0.1提高到930～950HV0.1。在950℃下氧化100h后，合金层表面氧化膜均致密，均未有与基体发生脱落现象，氧化速率从60.58～62.17μg/(cm2·h)降低到53.58～55.39μg/(cm2·h)。
本发明一种优选处理方法为：
靶材为Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为15～20wt％Co，15～20wt％Cr，5～10wt％Al，2～4wt％Si，0～0.5wt％Pt，0～0.5wt％Y以及余量Ni组成，靶材安装前，用01#砂纸打磨除掉氧化层，经无水乙醇中超声清洗后烘干；
基体材料为铸造γ-TiAl基金属间体化合物合金，利用电火花线切割技术，将基体制成尺寸为15mm×15mm×4mm的试样，然后用代号为0#、01#、02#、03#、05#、06#、07#砂纸打磨后，用3.5μm金刚石研磨膏抛光。经丙酮溶液超声清洗后，烘干备用；
打开机械泵和分子泵对腔室和电子枪室进行抽真空，腔室真空抽至9.0×10-3～2.1×10-2Pa，电子枪室真空抽至1.6～7.0×10-3Pa；加速电压50～70kV，电子束电流5～13mA，聚焦电流400～600mA，电子束先通过聚焦线圈聚焦，后进入电场加速，下束时间5～10s，正弦波动轨迹扫描，正弦波幅值50mm，频率500Hz；第一次低功率低频扫描，功率密度1400～1600W/mm2，扫描频率50～60Hz，开始下束，扫描完成后，顺时针调转载物盘90°，第二次高功率高频扫描，功率密度3000～4500W/mm2，扫描频率120～160Hz，开始下束；扫描完成，开炉取样；
选用氩气(纯度99.99％)为双层辉光等离子表面合金化试验工作载气，其溅射能力较强，化学稳定性高，不与金属元素发生反应；
将试样放入炉腔室，打开机械泵和冷却水，抽真空至真空度0.2～0.4Pa以下；打开分子泵和氩气阀，进行腔室洗气2～5次，通入氩气保持腔室气体压强为42～44Pa，打开电极电源，预热3～5min；
工件极电压：400～450V；
源极电压：600～650V；
温度：500～550℃；
时间：0～0.5h；
工件极电压：500～550V；
源极电压：600～700V；
温度：650～700℃；
时间：1～1.5h；
结束保温，降低源极电压分别至500V、400V、300V、200V，每级电压分别保温10-15min后，关闭源极电源，待温度降至100～150℃，开炉取样。
有益效果：本发明通过电子束预处理工艺处理后，表面缺陷密度提高，合金元素扩散激活能降低，双层辉光等离子表面合金化方法工艺温度降低200～250℃，Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金扩散层厚度从3～5μm增加到7～9μm。表面显微硬度从840～865HV0.1提高到930～950HV0.1。在950℃下氧化100h后，合金层表面氧化膜均致密，均未有与基体发生脱落现象，氧化速率从60.58～62.17μg/(cm2·h)降低到53.58～55.39μg/(cm2·h)。
具体实施方式
实施例1：
靶材为Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为50wt％Ni，20wt％Co，20wt％Cr，7wt％Al，2wt％Si，0.5wt％Pt以及0.5wt％Y组成，靶材安装前，用01#砂纸打磨除掉氧化层，经无水乙醇中超声清洗后烘干；
基体材料为铸造γ-TiAl基金属间化合物合金，利用电火花线切割技术，将基体制成尺寸为15mm×15mm×4mm的试样，然后用代号为0#、01#、02#、03#、05#、06#、07#砂纸打磨后，用3.5μm金刚石研磨膏抛光，经丙酮溶液超声清洗后，烘干备用；
打开机械泵和分子泵对腔室和电子枪室进行抽真空，腔室真空抽至2.1×10-2Pa，电子枪室真空抽至1.6×10-3Pa；加速电压50kV，电子束电流10mA，聚焦电流550mA，电子束先通过聚焦线圈聚焦，后进入电场加速，下束时间5s，正弦波动轨迹扫描，正弦波幅值50mm，频率500Hz；第一次低功率低频扫描，功率密度1400W/mm2，扫描频率50Hz，开始下束，扫描完成后，顺时针调转载物盘90°，第二次高功率高频扫描，功率密度4000W/mm2，扫描频率150Hz，开始下束；扫描完成，开炉取样；
选用氩气(纯度99.99％)为双层辉光等离子表面合金化试验工作载气；
将试样放入炉腔室，开启机械泵和冷却水，抽真空至真空度0.2Pa以下；打开分子泵和氩气阀，进行腔室洗气2～5次，通入氩气保持腔室气体压强为42Pa，打开电极电源，预热3～5min；
工件极电压：400V；
源极电压：600V；
温度：550℃；
时间：0.5h；
工件极电压：550V；
源极电压：700V；
温度：700℃；
时间：1.5h；
结束保温，降低源极电压分别至500V、400V、300V、200V，每级电压分别保温10-15min后，关闭源极电源，待温度降至100～150℃，开炉取样。
该方法在制备γ-TiAl合金表面得到Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y涂层时，双层辉光等离子表面合金化的工艺温度为700℃，合金扩散层厚度为9μm。表面显微硬度达到950HV0.1。在950℃下氧化100h后，合金层表面氧化膜致密，未有与基体发生脱落现象，氧化速率为53.58μg/(cm2·h)。
实施例2：
靶材为Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为50wt％Ni，20wt％Co，20wt％Cr，7wt％Al，2wt％Si，0.5wt％Pt以及0.5wt％Y组成，靶材安装前，用01#砂纸打磨除掉氧化层，经无水乙醇中超声清洗后烘干；
基体材料为铸造γ-TiAl基金属间化合物合金，利用电火花线切割技术，将基体制成尺寸为15mm×15mm×4mm的试样，然后用代号为0#、01#、02#、03#、05#、06#、07#砂纸打磨后，用3.5μm金刚石研磨膏抛光。经丙酮溶液超声清洗后，烘干备用；
打开机械泵和分子泵对腔室和电子枪室进行抽真空，腔室真空抽至2.1×10-2Pa，电子枪室真空抽至1.6×10-3Pa；加速电压50kV，电子束电流10mA，聚焦电流550mA，电子束先通过聚焦线圈聚焦，后进入电场加速，下束时间5s，正弦波动轨迹扫描，正弦波幅值50mm，频率500Hz；第一次低功率低频扫描，功率密度1400W/mm2，扫描频率50Hz，开始下束，扫描完成后，顺时针调转载物盘90°，第二次高功率高频扫描，功率密度4000W/mm2，扫描频率150Hz，开始下束；扫描完成，开炉取样；
选用氩气(纯度99.99％)为双层辉光等离子表面合金化试验工作载气；
将试样放入炉腔室，开启机械泵和冷却水，抽真空至真空度0.2Pa以下；打开分子泵和氩气阀，进行腔室洗气2～5次，通入氩气保持腔室气体压强为42Pa，打开电极电源，预热3～5min；
工件极电压：400V；
源极电压：600V；
温度：550℃；
时间：0.5h；
工件极电压：500V；
源极电压：650V；
温度：650℃；
时间：1.5h；
结束保温，降低源极电压分别至500V、400V、300V、200V，每级电压分别保温10-15min后，关闭源极电源，待温度降至100～150℃，开炉取样。
该方法在制备γ-TiAl合金表面得到Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金层时，双层辉光等离子表面合金化的工艺温度为650℃，合金扩散层厚度为7μm。表面显微硬度达到930HV0.1。在950℃下氧化100h后，合金层表面氧化膜致密，未有与基体发生脱落现象，氧化速率为55.39μg/(cm2·h)。
对比样1：制备未经电子束预处理工艺处理过的，直接在γ-TiAl表面进行表面等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理。
选用氩气(纯度99.99％)为双层辉光等离子表面合金化试验工作载气；
将试样放入炉腔室，开启机械泵和冷却水，抽真空至真空度0.2Pa以下；打开分子泵和氩气阀，进行腔室洗气2～5次，通入氩气保持腔室气体压强为35Pa，打开电极电源，预热3～5min；
工件极电压：400V；
源极电压：600V；
温度：550℃；
时间：0.5h；
工件极电压：600V；
源极电压：900V；
温度：900℃；
时间：1.5h；
结束保温，降低源极电压分别至500V、400V、300V、200V，每级电压分别保温10-15min后，关闭源极电源，待温度降至100～150℃，开炉取样。
该方法在制备γ-TiAl合金表面得到Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金层时，双层辉光等离子表面合金化的工艺温度为900℃，合金扩散层厚度为5μm。表面显微硬度达到840HV0.1。在950℃下氧化100h后，对比样合金层表面氧化膜致密，未有与基体发生脱落现象，氧化速率为60.58μg/(cm2·h)。
本实施例1得到的γ-TiAl合金与对比样1得到的γ-TiAl合金相比，双层辉光等离子表面合金化工艺温度从900℃降低至700℃，合金扩散层厚度从5μm增加至9μm。表面显微硬度从840HV0.1增加至950HV0.1。在950℃下氧化100h后，合金层表面氧化膜均致密，均未有与基体发生脱落现象，氧化速率从60.58μg/(cm2·h)降低至53.58μg/(cm2·h)。
本实施例2得到的γ-TiAl合金与对比样1得到的γ-TiAl合金相比，双层辉光等离子表面合金化工艺温度从900℃降低至650℃，合金扩散层厚度从5μm增加至7μm。表面显微硬度从840HV0.1增加至930HV0.1。在950℃下氧化100h后，合金层表面氧化膜均致密，均未有与基体发生脱落现象，氧化速率从60.58μg/(cm2·h)降低至55.39μg/(cm2·h)。
从以上结果可以看出，本发明通过电子束预处理工艺处理γ-TiAl合金后，表面缺陷密度提高，合金元素扩散激活能降低，双层辉光等离子表面合金化的工艺温度降低200～250℃，合金扩散层厚度从3～5μm增加到7～9μm。表面显微硬度从840～865HV0.1提高到930～950HV0.1。在950℃下氧化100h后，合金层表面氧化膜均致密，均未有与基体发生脱落现象，氧化速率从60.58～62.17μg/(cm2·h)降低到53.58～55.39μg/(cm2·h)。

Claims (5)

1.一种γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）靶材为Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为15~20wt%Co，15~20wt%Cr，5~10wt%Al，2~4wt%Si，0~0.5wt%Pt，0~0.5wt%Y以及余量Ni；
（b）在γ-TiAl合金表面进行电子束预处理；所述电子束采用正弦波动轨迹扫描，分两次扫描，第一次低功率低频扫描，第二次高功率高频扫描；
（c）在γ-TiAl合金表面进行双层辉光等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化，制备Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金层；双层辉光等离子表面合金化方法采用分级保温，所述的分级保温为首先控制工件极电压400~450V，源极电压600~650V，保温温度500~550℃，保温时间0~0.5h；随后，升高工作极电压到500~550V，源极电压到600~700V，保温温度升至650~700℃，保温时间1~1.5h。
2.根据权利要求1所述的γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，步骤（b）中，所述电子束预处理包括以下步骤：
（1a）腔室真空度至9.0×10-3~2.1×10-2Pa，电子枪室真空度至1.6~7.0×10-3Pa；
（1b）加速电压50~70kV，电子束电流5~13mA，聚焦电流400~600mA，下束时间5~10s；
（1c）电子束采用正弦波动轨迹扫描。
3.根据权利要求2所述的γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，步骤（1c）中，正弦波轨迹扫描是通过对载物盘的X轴与Y轴设定来控制，电子束沿X轴方向移动，试样沿Y轴方向移动，正弦波幅值50mm，频率500Hz。
4.根据权利要求2所述的γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，步骤（1c）中，低功率低频扫描的功率密度1400~1600W/mm2，扫描频率50~60Hz，扫描完成后，顺时针调转载物盘90°，进行高功率高频扫描，高功率高频扫描的功率密度3000~4500W/mm2，扫描频率120~160Hz，低功率低频扫描与高功率高频扫描的运行方向处于垂直关系。
5.根据权利要求1所述的γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，步骤（c）中，所述双层辉光等离子表面合金化方法包括以下步骤：
（2a）炉腔抽真空至真空度0.2~0.4Pa以下；
（2b）进行腔室洗气2~5次，通入氩气保持腔室气体压强为42~44Pa；
（2c）打开电源电极，分级保温；
（2d）结束保温，分别降低源极电压至500V、400V、300V、200V，每级电压分别保温10-15min后，关闭源极电源，待温度降至100~150℃，开炉取样。
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