TW460616B - Method for improving oxidation resistance of titanium aluminides at high temperature - Google Patents

Description

丨, 五、發明說明（】） 發明背景·· <產業上之利用範疇> 由於鈦鋁介金眉即使在高溫也有高的比強度（強 如= 合使用於移動且需高溫強度的構ί， 卜中的南溫零件、渦輪引擎葉片、汽車引擎 寺專。但其高溫（700 1以上）氧 士虱間 f貫際應用上的瓶頭。本發明主要是藉著碟酸溶％ 處理來增加心呂介金屬的高溫氧化抵抗，而使= "孟屬更適合於高溫的使用環境。 ’’ ’呂 〈以往之技術> 化^往Ϊ 了利用合金設計來改善鈦1呂介金屬的高溫耐氣 可利用表面改質，如電锻喷塗表面或離子植j 荨，來改善鈦鋁介金屬的高溫耐氧化性。 美國專到號碼5，118,581 (專利曰期：1 992年6月2曰 利用乳化矽和氧化鋁，f塗成玻璃塗層於鈦鋁介金屬表面 上’可提高鈦紹介金厲的高溫氧化抵抗β λ國專利號瑪5， 645’3〇3(專利日期：1 997年12月）利用塗上85討％磷酸後， 乾燥、5 0 0。。以上的假燒後，可有效地提高欽铭 "孟屬在800 〇C的耐氧化性。美國專利號碼5,695,827 (專 利日期：1 99 7年12月）以將銘、氧、氬、石朋、氣和石舞等離 子，利用離子植入法植入鈦鋁介金屬表面内，可改善鈦鋁 介，屬的南溫氧化抵抗。其中以磷離子植入的鈦鋁介金屬 抗高溫氧化性質最佳。®此可知磷元素是鈦鋁介金屬能提

議 460616 五、發明說明（2) 高高溫氧化抵抗的有利添加元素 <發明目 利用 南溫氧化 同時因其 勻地植入 投資低等 感較差。 本專 屬表面， 氧化性。 化，且其 有金屬光 的及概述> :Γ植入法或電漿喷塗法雖可改善鈦鋁介金屬的 覆ί hi Ϊ其設備投資大、操作較複雜且成本高； 戶:以對於形狀較複雜的工件，無法均 優二曰法雖其被覆性佳，和設備 其刼作時間較長，且其處理後的工件質 利發明是利用太△ 使表面產生一碎&溶液中，陽極處理鈦鋁介金 此製程不但可有，〖生彳·^的惰性膜來改善其高溫耐 設備投資小，抒放地改善鈦鋁介金屬的高溫耐氧 澤。 =乍簡便，同時處理後的工件仍保 圖式之簡單說明〉 以下，就本發明 之說明 圖式作簡單 形 第1圖為、…介一⑫、 '均負化熱處理後的X光繞射圖 第2圖為在8 °c下，、 電壓陽極處理後的磷酸水溶液中，以不同的定 單位面積的重量增加50量g二在高溫（800 t；)空氣氧化時， 第3圖為在1 8 X：下/、向溫氧化時間的關係圖。 ;4 w t %鱗酸水溶液中，以不同的 ^^06 1 6 _丨_ 五、發明說明（3) ___ ^^^^6,Π5〇Αΐ5〇(8〇〇〇c)^^b^ 早；面積的重量增加量與高溫氧化時間的關係圖。 =4圖為室溫（28。〇下，於4wt%磷酸水溶液中，以 I東疋，壓陽極處理後的τ‘α1μ，在高溫（8⑽它）空氣 日’笛皁位面積的重量增加量與高溫氧化時間的關係圖。 —泰? 5圖為T^Also於4 °C的4wt%磷酸溶液中，以3〇〇伏 疋電壓下，經不同陽極處理時間後（2分鐘_95分鐘），於 8〇〇 °C空氣氧化時，單位面積重量增加量與高溫氧化； 的關係圖。 1 、弟6圖為T is。A 15〇以3 0 0伏特定電壓下，於不同鱗酸濃声 溶液（Owt%-4 0wt%)中’經45分鐘的陽極處理後，於8〇〇它又 空氣氧化的單位面積重量增加量與高溫氧化時間關係圖。 弟 7 圖為 T i46 A 154、T i54 A 146、T i6。A 14。和 T i75 A 125 的鈦铭介 金屬經均質化熱處理後的X光繞射圖形。 第 8 圖為 T i46 A 154、T i54 A146、T i6。A 14〇 和 T i75 A125 的欽紹介 金屬經1 8 °C下，於4 w t %構酸水溶液中’以2 2 5伏特的定電 壓陽極處理後，在高溫（8〇(TC )空氣氧化時，單位面積的 重里増加量與高溫氡化時.間的關係圖（_表示未處理；❶ 表已陽極處理）。 第9圖為]'丨48八148(：]：21^132介金屬經均質化熱處理後的}(光 繞射圖形。 第1 0圖為T i48 A 148 Cr2 N b2在〇 °C，1 5 w t %濃度磷酸溶液中 ，3 0 0伏特下，經4 5分鐘陽極處理後，以熱重量分析儀（ Thermogravi tic analysis, TGA)於800 °C 空氣中持溫的分

第6頁 460616 五、發明說明（4) 析結果。 〈發明詳細說明〉 選擇γ相-鈦鋁介.屬* , 金。這發明可適用於此金等屬的和相-欽铭介金屬兩類合 藉由真空電弧重序二結構鈦紹介金屬材料。 (如99.98WU)成所需\(JAVR)純鈦（如99. 7^%)和純紹 115 0 Τ： X 75hi*s)的亩要成为的鑄錠，經長時間和高溫（如 用X光繞射圖形確::：:! f =處理，爐冷至室溫後，利 +也可配出所+ &二，…，〇曰日、，，。構。其他常用的配置合金方 法也了配出所而成份的鈦鋁介入 (VIM)和粉末冶金等。經切 =五，如真工感應重熔 去脂、洗淨 '乾燥€，做陽極 1 : _溶液在超音波下 選用鈦白金網（其他如鋁合金％二J陽極處理中’陰極 亦可），陽極和陰極間的距離為5二:；：其：=電極等 壓、溫度和磷酸濃度等變數了 ：^在不同的疋電. 介金屬和Μ τ -鈦鋁介金屬的高⑺耐/處理對r -鈦鋁 在800 r的空氣中，於間p二〜，化性改善情形。 ，於電子天平秤取重量後’再S ，二間取出空冷至室溫 由單位面積的重量增加量來 C的空氣中氧化， 在8。。的“_水：液1其耐氧化性。 相的TMk (其[光繞射圖形，如γ同的定電壓，將T 理後，經高溫（8 0 0 °c )的空氣氧彳卜:所示）實施陽極處 量增加量與高溫氧化時間的關係:=其t位面積的重 地，經在磷酸溶液中的陽極處理 5 -所不。很顯然 高溫氧化。而且陽極處理 壓j者地二緩Ti50Al5。的 & 4阿，其處理後的鈦鋁 4β〇β ^ β 五、發明說明（5) 介金屬高溫耐氧化性性質有愈好的趨勢。其8 〇 〇高溫氧 化曲線於2小時以後，其氧化速率即順從拋物線氧化速率 w2 = ^Kpt + C ⑴ ^ 式中W為單位面積重量增加值，t為氧化時間，Kp為二 -欠方氧化速率常數（parabolic oxide rate constani)。 tP. Kofstad, High Temperature Corrosion, Elsevier Applied Science Pub· Ltd·， 1988，p· 164]利用公式 ^ ，’由圖二的各個曲線可算出其各個定電壓下，在磷酸 液陽極處理後的Ti^AU二次方氧化速率常數（Kp)，如表 ，示。由表一可知，即使對15伏特電壓的陽極處理，盆& 乳化性也可從未經陽極處理的。值約〇. 〇41mg2 ^ j =〇声0039nig2dhr ’即可減少約—個級數的^值；而且 極處理的定電壓愈高’丨處理後的鈦鋁介金心 耐， 化性性質愈好。對定電壓伏特的條 ，直：耐氧 U_85mgV一r，、約經陽極處 值、P值為 一。…。。伏特的定電壓作陽極處理日= :之 零星的火花產生，處理後的試片無金屬光澤f二$有 面須具有金屬光澤的產品應用，則 ί於要求表 下的定電Μ，在此範圍的^電壓伏特（含）以 表面不會產生零星的火花，處理後： = = =片 。對於350伏特定電壓的45分鐘“丨％磷酸溶液^光澤 由表一可知其Kp值約為〇.0〇〇n mg2/cm4k， ^處理， 處理時的Kp值的三百分之一，在8 〇 〇 a 4為未經陽極 C的尚溫下，經過長 4 606 16 五、發明說明（6) —————------- 達7 0小時後，其疾而/ 處理的了丨5^150約5小^保^陽極處理後的原來色澤，而未 物，並失去金屬光澤。τ 即在表面產生一層白色氧化 圖三為在。〇下 電壓陽極處理Ti A1 % 4Wt%磷酸水溶液中，以不同的定 位面積的重量增： = 空氣氧化時，單 利用公式丨所^=二化時間的㈣圖。 定電壓兪古，盆走""出的KP值，如表二所示。陽極處理的 。但在3二特= 屬/高溫耐氧化性愈好 面會有零星的的疋電^乍陽極處理時’試片表 表面鉦金屬光，、睪，，以350伏特定電壓處理後的試 伏特二2澤B對定電壓4°°伏特的條件下，定電屋4。。 極處理時KP值的六百分之一。但在二經陽 :處理時、’試片表面會有零星的火花產；特==陽 …、金屬光澤。對於要炎声面 <苜且古入屈t 灸的°式片 則可#用Μη & 求表有金屬光澤的產品庫用， 、了 k用30 0伏特以下的定電壓厂用 行陽極處理時，試片表面不會產生零星壓下進 試片仍保有金屬光澤。 的人化，處理後的 圖四為在室溫（28 t)下’於4wt%磷酸水溶液 同±的定電屋陽極處理Ti5QAl5D後’經高溫（8〇〇t)=二以不 日守，皁位面積的重量增加量與高溫氧化,軋氧化 /用公式！所算出的KP值，如表三所示。’：糸圖。 疋電壓愈高，其處理後的鈦鋁介金屬的高溫耐f處理的 。但在350伏特（含）以上的定電壓作陽極處理昉性愈好 τ，試片表

4 6 Ο β |5 — " _ 五、發明說明（7) 面會有零星的火花產生，虚 對定雷懕d η η处扯 处里後的。式片表面無金屬光澤。 40。伙特的條件下，其心值為 举 具有金屬光澤的產品應用，則對表面須 ^ . 在此靶圍的定電壓下進行陽極處理時，試片> & 不會產生零星的電火，處理祛的^ μ ν ；"里呀忒片表面 ί 5° 50於代的4wtK酸溶液* ,以200伏特定 同陽極處理時間後(2分鐘〜95分鐘），於800 。由圖五可釦晤枚+ 里與尚溫氧化時間的關係圖 積極處理時間“，單位時間内的單位Ξ 積重】=置：化愈小，即高溫的抗氧化性愈高。 度溶液（Owt%〜4〇wt%)中，經45八_^ f不门的恤酸濃 〇r ^ ^ n 乂 y 丄45刀鐘的陽極處理後，於8〇n “亂IΪ 皁位面積重量增加量與高溫氧化時間的閃 糸=圖可知即使是以純水當電解質溶液，仍可改呈: :=屬:两溫耐氧化性。當磷酸濃度高達4〇以%時：复 當。由圖六可知；；㈡：…善’與用純水者相 介於㈣至15心左右。 的教適當陽極處理鱗酸濃度 甘γ對：Γ同成份的7相和α + 7的鈦鋁介金屬化合物（ ^χ-光k射圖形，如圖七所示），在18。〇，4wt%濃度磷 =液中士 225伏特定電壓下，經45分鐘陽極處理後，於m2 C空氣中’早位面積重量增加量與高溫氧化時間 ，如圖八所示。對於未經陽極處理的a2 WTi75Al25)和1圖 第10頁 4 60 6 五 '發明說明（8) + r 相（Ti6〇ai4。或Ti54ai46 )鈦鋁人八 . 高溫氧化後’表面呈現氧化嚴^运’在經25小時的800 °C 層有嚴重剝離現象。 的白色氧化層，且其氧化 如圖八所示，對於七相（Ti 陽極處理後，其改善高溫氧化植175 A 125)的鈦鋁介金屬，經 的高溫靜置空氣中氧化，即會產為有限’約2 5小時8 0 0 °C 金屬光澤，且會有少量的氧^層生，重的表面氧化而失去 (Ti6QAi4。和Ti54Ai46)或γ相（14 /剝落現象。對於a2+ r相 陽極處理後，皆可有效地改IA二）_的鈦鋁介金屬合金其 a2+r雙相的Ti48A1 CrN°h7:高溫氧化性。 ,.Λ , . ^ A 回'皿氧化性，所以常被用來以 此為5金之成伤為基礎來作盆AL L ^

，人人+ 疋+作具他性質改良的合金設計。因 此可利用此合金來評估鈦紐人入士从X ^ ^ ^ 欽銘合金中的合金元素添加對陽極 處理是否會造成影響。圖+A丨r + n。 園卞马huAkCrJh 在0 °C，15wt%

濃度磷酸溶液=，300伏特定電壓下，經45分鐘陽極處理 後，利用熱重里分析儀（Thermogravitic analysis, TGA )於8 0 0 C空氣中持溫的分析結果。由圖七可知在此處理條 件下，可以有效地提高α2 + T雙相鈦鋁介金屬的高溫耐氧 化性質’其Κ ρ值可從未經陽極的〇. 〇 11 m g2 / c m4 h r降到 0. 00015mg2/ cm4hr。

第11頁 4 6 Ο 6 1 6 五、發明說明（9) 士 =—、由圖二的氧化西線，依公式一所計算不同定電壓陽極處理 仗（於8。(： ’ 4wt%磷酸水溶液中），其二次方氧化速率常 mS2/cm4hr) 〜--- ~:-- 15 3C 8C iS ΪΚ 16C 1-1 20C %， hgWhr) 0.0039 0.0066 0.0014 0.0017 0.00075 0.00029 3 0.00016 225 '25C 275 30C 35C 375 40C (rtl§2/cmV) —^ 0.00021 1 0.00023 7 0.00015 6 0.00010 • 3 0.00010 6 Ι0Ό0013 5 8.52E- 05 表- &〜、由圖三的氧化曲線，依公式一所計算不同定電壓陽極處理 ^ ; 18 C，4wt%構酸水溶液中）’ Τί5〇Α15〇其二次方氧化速率 的變化情形。 60 100 160 225 30C 325 40C 0.00343 0.0021 Ϊ 0.00028 9 0.00014 5 0.00013 7 0.00011 1 6.83E- 05 1¾大待） %; (m§Whr)

第12頁 4 6 Ο ^ ] 五、發明說明（ίο) 表三、由圖四的氧化曲線，依公式一所計算不同定電壓陽極處理 後（於28°C，4wt%磷酸水溶液中），Ti50Al50二次方氧化速率常 數Kp的變化情形。 電壓(伏特） 15 3C 6C 10C 16C 20C Kp, mg2/cm4hr 0.0042 0.01168 0.00458 0.00179 0.00047 8 0.00037 9 電壓(伏特） 225 25C 275 30C 350 400 Kp, mg2/cm4hr 0Ό0020 3 0.00025 0.00024 2 0.00015 3 0.00029 5 0.00010 1

第13頁

Claims (1)

1. 提供一鈦銘介金屬；及 在含磷之電解質溶液中，將該鈦鋁介金屬置於一陽極 上，在溫度0 °C至28 °C及該陽極之操作電壓15伏特至40 0伏 特下，對該鈦鋁介金屬實施陽極處理，以形成一高溫抗氧 化惰性膜於該鈦is介金屬表面上。 屬 金 介 銘 鈦 之 述 上 中 其 法 方 之 項 IX 第 圍 〇 範屬 利金 專介 請的 申相 如 T 2.為 屬 金 介 鋁 鈦 之 述 上 中 其 法 方之 項 一—I 。 第屬 圍金 範介 利的 專相 請r 申+ 如α 3.為 之 ίι 處 極 陽 之 述 上 Φ— 其 法 方。 之極 項電 1性 第.惰 圍之 範網 利金 專白 請鈦 申為 如極 4.陰 解 電 之 磷 含 之 述 上 其 法 方 之 項 第。 圍液 範溶 利酸 專磷 請為 申液 如溶 *質 5 第ο 圍 4 範至 /ο 專wt 請ο 申為 如度 . 曲辰 6 '、/ 之 液 溶 酸 ΗΨ 之 述 上 —ml 其 法 方 之 項 %

   第14頁 ^ 6 ] R _* 0案號 88119290_年月日__ 六、申請專利範圍 7.如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之陽極處理之 時間為2分鐘至9 0分鐘。

   第15頁