一種Ti?22Al?25Nb合金表面自生成高強耐磨層的方法與流程

本發明涉及一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強耐磨層的方法。

背景技術：

隨著宇航技術的發展，航天器的運行速度不斷提高，高性能的金屬材料也在快速發展，而Ti-22Al-25Nb合金具有高的比強度、比剛度以及良好的高溫蠕變性能和抗氧化性能，是一種新的優異的航天航空結構材料。Ti-22Al-25Nb合金目前主要應用于航天航空器中的結構支架及蒙皮覆蓋件，進而廣受研究。Ti-22Al-25Nb合金以O相為基礎，由O相、B2相和α₂相組成，其中O相為正交結構；B2為體心立方結構具有較多的滑移系，是塑性相；α₂相為密排六方結構，具有高的強度及耐磨性，是合金的強化相。合金通常采用鍍層的方式來改變其表面性能，使其在高溫下不僅具有優異的綜合的力學性能，同時還具有高性能的表面結構。但是表面鍍層的工藝復雜，適合的鍍層材料較少，同時鍍層還存在失效脫落等問題，是一直困擾著人們的一個重要問題。而通過一種方法手段使合金自生成一層高強、耐磨的鍍層，能大幅降低合金的生產成本，增加合金鍍膜的使用壽命，對推進合金普及使用有著重要的意義。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有表面鍍層的工藝復雜，適合的鍍層材料較少，同時鍍層還存在失效脫落的問題，而提供一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強耐磨層的方法。

本發明一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強耐磨層的方法按以下步驟進行：

一、表面清理：將Ti-22Al-25Nb合金表面先采用丙酮清洗1～3次，再采用酒精清洗1～3次，得到表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金；

二、熱處理：將表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金放入熱處理爐中進行熱處理，熱處理溫度為750℃～1200℃，熱處理時間為15min～30min，熱處理完成后取出進行水淬，得到鍍層的Ti-22Al-25Nb合金；所述鍍層的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向內依次覆有氧化層和富α₂相層，所述氧化層的厚度為5μm～10μm，所述富α₂相層的厚度為70μm～100μm；

三、表面處理：將鍍層的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蝕液中浸泡至表面光亮后取出，洗凈表面的腐蝕液，或將鍍層的Ti-22Al-25Nb合金采用機械拋光至表面光亮，即可得到覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蝕液由HF、H₂O₂和H₂O按照體積比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

本發明的有益效果：

本發明通過高溫熱處理來達到增加一層富α₂相鍍層的方法。其原理是在高溫下合金原子的遷移能力增加，高溫時表面由于與外部的高溫空氣接觸而發生了氧化行為，合金中的Ti及Al原子容易與O原子結合形成Al₂O₃及TiO₂，而Nb元素與O的親和力不佳，從而不容易形成氧化物，所以Ti、Al會向表層富集而Nb元素向內層富集的現象。所以在表層附近會形成一層貧Nb層，而α₂相在高溫及貧Nb條件下非常容易產生，進而形成了一層α₂相層，α₂相層的平均硬度為450.2HV明顯高于內部B2相基體的335.3HV，也進一步反映出其強度也高于內部B2相基體。同時由于α₂相是密排六方結構的晶體，所以其耐磨性遠高于體心立方的B2基體。所以該相層的高強度及高耐磨性使得其成為了比較理想的表面鍍層，同時由于該層又是自身生成的，所以其與內層的金屬的結合性能非常好，其使用壽命極大的加長，是一種良好的鍍層。

附圖說明

圖1為實施例一中未做處理的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖；

圖2為實施例一得到的覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖；

圖3為實施例二得到的覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強耐磨層的方法按以下步驟進行：

一、表面清理：將Ti-22Al-25Nb合金表面先采用丙酮清洗1～3次，再采用酒精清洗1～3次，得到表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金；

二、熱處理：將表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金放入熱處理爐中進行熱處理，熱處理溫度為750℃～1200℃，熱處理時間為15min～30min，熱處理完成后取出進行水淬，得到鍍層的Ti-22Al-25Nb合金；所述鍍層的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向內依次覆有氧化層和富α₂相層，所述氧化層的厚度為5μm～10μm，所述富α₂相層的厚度為70μm～100μm；

三、表面處理：將鍍層的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蝕液中浸泡至表面光亮后取出，洗凈表面的腐蝕液，或將鍍層的Ti-22Al-25Nb合金采用機械拋光至表面光亮，即可得到覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蝕液由HF、H₂O₂和H₂O按照體積比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

本實施方式步驟一中先采用丙酮清再采用酒精是為了去除合金表面的油漬等臟物；保證合金在受熱過程中受熱均勻，表面質量均已，同時防止污漬氧化燃燒影響加熱爐及合金板材。

本實施方式步驟二中的熱處理使合金件充分受熱，組織轉變充分。在合金表面會形成一層富α₂相層，富α₂相的厚度由熱處理的溫度及保溫時間決定。熱處理后取出進行水淬，以保留這層富α₂相層。保溫溫度越高，保溫時間越長則富α₂相層的厚度越厚，一般富α₂相層最厚能達到100μm左右。但是隨著保溫時間的增長，最外層的氧化皮的厚度也隨著增長，氧化皮對合金的表面質量是有害的，所以一般保溫時間控制在15min～30min之間。

本實施方式步驟二所述氧化層由大量的Al₂O₃及TiO₂構成。這層氧化層對合金的表面性能有較大的損害，所以要去除這層表面氧化層。步驟三中通過浸泡，使得合金表面的黑色的氧化皮會發生脫落，露出光亮的內層富α₂相層，之后用水清洗表面將腐蝕液沖刷干凈，再用酒精清洗一遍即可。而機械拋光可以采用銑床或者車床將合金表面的氧化皮去除，去除厚度為20μm左右，需要注意的是采用機械拋光過程中一定要控制好去除量，否則將對富α₂相層造成影響。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二中熱處理溫度為800℃。其他步驟及參數與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：步驟二中熱處理溫度為900℃。其他步驟及參數與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：步驟二中熱處理溫度為950℃。其他步驟及參數與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：步驟二中熱處理溫度為1000℃。其他步驟及參數與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：步驟二中熱處理溫度為1100℃。其他步驟及參數與具體實施方式一至五之一相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：步驟二中熱處理時間為20min。其他步驟及參數與具體實施方式一至六之一相同。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是：步驟二中熱處理時間為25min。其他步驟及參數與具體實施方式一至七之一相同。

具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一不同的是：步驟三中機械拋光的表面切除量為20μm。其他步驟及參數與具體實施方式一至八之一相同。

用以下實施例驗證本發明的有益效果：

實施例一：一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強耐磨層的方法按以下步驟進行：

一、表面清理：將Ti-22Al-25Nb合金表面先采用丙酮清洗1～3次，再采用酒精清洗1～3次，得到表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金；

二、熱處理：將表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金放入熱處理爐中進行熱處理，熱處理溫度為1200℃，熱處理時間為15min，熱處理完成后取出進行水淬，得到鍍層的Ti-22Al-25Nb合金；所述鍍層的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向內依次覆有氧化層和富α₂相層，所述氧化層的厚度為7μm，所述富α₂相層的厚度為80μm；

三、表面處理：將鍍層的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蝕液中浸泡至表面光亮后取出，洗凈表面的腐蝕液，即可得到覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蝕液由HF、H₂O₂和H₂O按照體積比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

實施例二：本實施例與實施例一的不同之處在于：步驟二中熱處理溫度為960℃，熱處理時間為30min；所述氧化層的厚度為5μm，所述富α₂相層的厚度為50μm。其他與實施例一相同。

圖1為實施例一中未做處理的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖，從圖中可以看出合金表面沒有任何析出相層，為均一的B2相基體。

圖2為實施例一得到的覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖，從圖中可以看出經過熱處理后合金表面產生了一層富α₂相層，α₂相呈現顆粒及長條狀，α₂相為密排六方結構，本身強度高，耐磨性好，是合金的主要強化相，當其在表面大量富集時，就相當于在表面形成了一層膜，使得合金的表面性能大為改善。

圖3為實施例二得到的覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖，從圖中可以看出富α₂相層中的α₂相主要以顆粒形式存在。