专利名称：一种钛合金渗氧－扩散固溶复合表面强化处理方法
技术领域：
本发明涉及一种金属表面处理方法，具体为一种钛合金渗氧-扩散固溶复合表面强化处理方法。
背景技术：
钛合金因具有比重小、比强度高、耐蚀性优异以及优良的生物相容性等一系列优异的性能而在航空、航天等国防工业以及民用工业中得到广泛应用。但是由于其硬度低，导致在应用过程中一个最大障碍就是表面耐磨性能问题。零部件的易磨损导致产品的使用成本大大增加。此外，由于钛合金不耐磨损，使其在使用过程中的磨损加剧，从而严重影响整个飞行器或机车的安全可靠性能。
渗氧处理是提高钛合金表面硬度的一种方法，中国发明专利(专利号为01138775.0)，公开了一种钛合金渗氧的方法，但这种方法处理表面存在氧化膜发脆易脱落的问题，需辅以机械方法除去，并且硬化层浅、表面不光亮。
目前在表面改性方法中，关于钛的渗氧硬化方法的研究已经有很多报道。这些方法主要基于氧化的方法在试件表面形成氧固溶层，提高表面层的显微硬度来实现表面强化的目的，但是这些方法在试件表面均不可避免的形成氧化膜层，对材料的性能有很大的影响。如何直接消除氧化膜的不利影响，更好的利用氧固溶硬化层实现表面强化的目的，是本发明的意图所在。
发明内容
本发明针对以上问题，提供一种表面无氧化膜、光亮且渗层深的钛合金表面化学热处理强化方法，即钛合金渗氧-扩散固溶复合表面强化处理方法，本发明在专利申请号为01138775.0——一种钛合金渗氧的方法的基础上，提供一种改进的钛合金表面化学热处理强化方法，对钛合金进行表面无膜渗氧强化，从而可以更显著延长钛合金的使用寿命，使其得到更大的应用价值。
本发明的技术方案是这样实现的，航空航天、导弹、汽车等使用的钛合金零部件形状各式各样，形状复杂，本发明的特征在于可对其实行整体、均匀、一体强化处理，具体的工艺方法为(1)将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的MgO、Al2O3、SiO2、C粉等介质中，在普通空气炉中加热750～850℃，保温30min～600min；(2)然后将处理的试件置于封闭装置中，在800～900℃的温度下，保温10～50h。利用该方法可对钛合金试件表面进行氧的固溶硬化处理，以此提高钛合金表面的显微硬度，达到强化的目的。
所述的介质可以经过酸洗净化处理。
所述的介质粒度在360目～10目之间。
所述的封闭装置是在高温合金的上表面钻拓宽孔，将经预渗氧处理试件放入孔洞中，上表面采用高温合金圆片作挡板，采用脉冲激光器将上表面的孔缝隙焊封起来，再用手工电弧焊将焊缝再加厚焊一道，使预渗氧处理试件完全密封，以确保高温加热过程中孔洞的密闭性。
本发明的优点1、本发明不需要使用真空室等复杂的设备，工艺方法简单，实验操作容易；表面可实现无氧化膜渗氧，可直接消除氧化膜的不利影响，表面光亮；可处理复杂形状的零件；硬化效果好、均匀，渗层深度大、且可以控制，大大延长了零件的使用寿命；成本低，具有很大的经济效益。
2、利用本发明方法可对钛合金试件表面进行氧的固溶硬化处理，以此提高钛合金表面的显微硬度，达到强化的目的。用本发明方法可实现合金表层的硬度达到HV500kg/mm2以上，氧的固溶硬化深度为40～200μm。
3、航空航天、导弹、汽车等使用的钛合金零部件形状各式各样，形状复杂，本发明可对其实行整体、均匀、一体强化处理。
图1为本发明简易实验封闭装置示意图。
图2a为实施例1钛合金TC11经复合处理后表层XRD物相分析曲线。
图2b为实施例1钛合金TC11经复合处理后表层显微硬度曲线。
图3a为实施例2钛合金TC11经复合处理后表层XRD物相分析曲线。
图3b为实施例2钛合金TC11经复合处理后表层显微硬度曲线。
图4a为实施例3钛合金TC11经复合处理后表层XRD物相分析曲线。
图4b为实施例3钛合金TC11经复合处理后表层显微硬度曲线。
图5a为实施例4钛合金BT9经复合处理后表层XRD物相分析曲线。
图5b为实施例4钛合金BT9经复合处理后表层显微硬度曲线。
图6a为实施例5钛合金BT20经复合处理后表层XRD物相分析曲线。
图6b为实施例5钛合金BT20经复合处理后表层显微硬度曲线。
具体实施例方式
如图1所示简易实验封闭装置示意图，即在高温合金1中钻孔洞，在高温合金1的上表面钻拓宽孔11，将经预渗氧处理试件2放入孔洞中，上表面采用高温合金圆片3作挡板，采用NdYAG脉冲激光器将上表面的孔缝隙焊封起来，再用手工电弧焊将焊缝再加厚焊一道，使预渗氧处理试件2完全密封，以确保高温加热过程中孔洞的密闭性。
实施例1钛合金表面硬度低，不耐磨损，为了提高其表面硬度，本例采用的材料为TC11双相钛合金，进行表面渗氧-扩散固溶复合强化处理，具体步骤如下将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质MgO中，介质MgO粒度为200目～360目，在普通空气炉中加热750℃，保温120min，表面未见明显的氧化膜存在；然后将处理的试件清洗干净并吹干后置于封闭装置中，在850℃的温度下，保温20h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV460，渗层深度可以达到50μm。表面光滑，无氧化膜存在。
如图2a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。
实施例2与实施例1不同之处是将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质Al2O3中，介质Al2O3粒度为200目～360目，在普通空气炉中加热800℃，保温90min，表面形成极少量氧化膜；然后将处理的试件置于封闭装置中，在800℃的温度下，保温50h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV490，渗层深度可以达到70μm。表面光滑，无氧化膜存在。
如图3a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。
实施例3与实施例1不同之处是将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质SiO2中，介质SiO2粒度为30目-40目，在普通空气炉中加热850℃，保温60min，表面形成少量氧化膜；然后将处理的试件置于封闭装置中，在900℃的温度下，保温10h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV520，渗层深度可以达到90μm。表面光滑，无氧化膜存在。
如图4a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。
实施例4与实施例1不同之处是本例采用的材料为俄罗斯牌号双相钛合金BT9，将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质C粉中，介质C粉粒度为100目～200目，在普通空气炉中加热750℃，保温600min，表面形成氧化物；然后将处理的试件置于封闭装置中，在850℃的温度下，保温20h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV600，渗层深度可以达到130μm。表面光滑，未检测到氧化膜存在。
如图5a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。
实施例5与实施例1不同之处是本例采用的材料为俄罗斯牌号近α-钛合金BT20，将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质Al2O3中，介质Al2O3粒度为10目-30目，在普通空气炉中加热850℃，保温90min，表面形成氧化物；然后将处理的试件置于封闭装置中，在850℃的温度下，保温20h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV620，渗层深度可以达到150μm。表面光滑，未检测到氧化膜存在。
如图6a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。
另外，经试验表明，本发明将钛合金材料置于经过处理的介质中，在大气气氛下，普通空气炉中加热750～850℃的范围内，保温30min～600min；然后将处理的试件置于封闭装置中，在800～900℃的范围内，保温10～50h，均可在钛合金试件表面形成较深的氧固溶硬化层。本发明适用于双相钛合金、近α-钛合金以及α-钛合金。
权利要求
1.钛合金表面渗氧-扩散固溶复合强化处理方法，其特征在于具体步骤如下(1)将钛合金材料置于经过处理的介质中，在大气气氛下，普通空气炉中加热750～850℃，保温30min～600min；(2)然后将处理的试件置于封闭装置中，在800～900℃的温度下，保温10～50h，利用该方法在钛合金试件表面形成氧固溶硬化层。
2.根据权利要求1所述钛合金表面渗氧-扩散固溶复合强化处理方法，其特征在于所述的介质为MgO、Al2O3、SiO2或C粉。
3.根据权利要求1所述钛合金表面渗氧-扩散固溶复合强化处理方法，其特征在于所述的介质经过酸洗净化处理。
4.根据权利要求1所述钛合金表面渗氧-扩散固溶复合强化处理方法，其特征在于所述的介质粒度在360目～10目之间。
5.根据权利要求1所述钛合金表面渗氧-扩散固溶复合强化处理方法，其特征在于所述的封闭装置是在高温合金(1)的上表面钻拓宽孔(11)，将经预渗氧处理试件(2)放入孔洞中，上表面采用高温合金圆片(3)作挡板，采用脉冲激光器将上表面的孔缝隙焊封起来，再用手工电弧焊将焊缝再加厚焊一道，使预渗氧处理试件(2)完全密封，以确保高温加热过程中孔洞的密闭性。
全文摘要
本发明涉及一种钛合金表面强化处理方法。具体方法为(1)将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的MgO、Al
文档编号C23C8/80GK1632158SQ20041008289
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月8日 优先权日2004年12月8日
发明者王茂才, 马红岩, 王东升 申请人:中国科学院金属研究所