一种Ti‑22Al‑25Nb合金表面自生成高强耐磨层的方法与流程

本发明涉及一种Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高强耐磨层的方法。

背景技术：

随着宇航技术的发展，航天器的运行速度不断提高，高性能的金属材料也在快速发展，而Ti-22Al-25Nb合金具有高的比强度、比刚度以及良好的高温蠕变性能和抗氧化性能，是一种新的优异的航天航空结构材料。Ti-22Al-25Nb合金目前主要应用于航天航空器中的结构支架及蒙皮覆盖件，进而广受研究。Ti-22Al-25Nb合金以O相为基础，由O相、B2相和α₂相组成，其中O相为正交结构；B2为体心立方结构具有较多的滑移系，是塑性相；α₂相为密排六方结构，具有高的强度及耐磨性，是合金的强化相。合金通常采用镀层的方式来改变其表面性能，使其在高温下不仅具有优异的综合的力学性能，同时还具有高性能的表面结构。但是表面镀层的工艺复杂，适合的镀层材料较少，同时镀层还存在失效脱落等问题，是一直困扰着人们的一个重要问题。而通过一种方法手段使合金自生成一层高强、耐磨的镀层，能大幅降低合金的生产成本，增加合金镀膜的使用寿命，对推进合金普及使用有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有表面镀层的工艺复杂，适合的镀层材料较少，同时镀层还存在失效脱落的问题，而提供一种Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高强耐磨层的方法。

本发明一种Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高强耐磨层的方法按以下步骤进行：

一、表面清理：将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，得到表面洁净的Ti-22Al-25Nb合金；

二、热处理：将表面洁净的Ti-22Al-25Nb合金放入热处理炉中进行热处理，热处理温度为750℃～1200℃，热处理时间为15min～30min，热处理完成后取出进行水淬，得到镀层的Ti-22Al-25Nb合金；所述镀层的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向内依次覆有氧化层和富α₂相层，所述氧化层的厚度为5μm～10μm，所述富α₂相层的厚度为70μm～100μm；

三、表面处理：将镀层的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蚀液中浸泡至表面光亮后取出，洗净表面的腐蚀液，或将镀层的Ti-22Al-25Nb合金采用机械抛光至表面光亮，即可得到覆有富α₂相层的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蚀液由HF、H₂O₂和H₂O按照体积比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

本发明的有益效果：

本发明通过高温热处理来达到增加一层富α₂相镀层的方法。其原理是在高温下合金原子的迁移能力增加，高温时表面由于与外部的高温空气接触而发生了氧化行为，合金中的Ti及Al原子容易与O原子结合形成Al₂O₃及TiO₂，而Nb元素与O的亲和力不佳，从而不容易形成氧化物，所以Ti、Al会向表层富集而Nb元素向内层富集的现象。所以在表层附近会形成一层贫Nb层，而α₂相在高温及贫Nb条件下非常容易产生，进而形成了一层α₂相层，α₂相层的平均硬度为450.2HV明显高于内部B2相基体的335.3HV，也进一步反映出其强度也高于内部B2相基体。同时由于α₂相是密排六方结构的晶体，所以其耐磨性远高于体心立方的B2基体。所以该相层的高强度及高耐磨性使得其成为了比较理想的表面镀层，同时由于该层又是自身生成的，所以其与内层的金属的结合性能非常好，其使用寿命极大的加长，是一种良好的镀层。

附图说明

图1为实施例一中未做处理的Ti-22Al-25Nb合金的显微组织图；

图2为实施例一得到的覆有富α₂相层的Ti-22Al-25Nb合金的显微组织图；

图3为实施例二得到的覆有富α₂相层的Ti-22Al-25Nb合金的显微组织图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高强耐磨层的方法按以下步骤进行：

一、表面清理：将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，得到表面洁净的Ti-22Al-25Nb合金；

二、热处理：将表面洁净的Ti-22Al-25Nb合金放入热处理炉中进行热处理，热处理温度为750℃～1200℃，热处理时间为15min～30min，热处理完成后取出进行水淬，得到镀层的Ti-22Al-25Nb合金；所述镀层的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向内依次覆有氧化层和富α₂相层，所述氧化层的厚度为5μm～10μm，所述富α₂相层的厚度为70μm～100μm；

三、表面处理：将镀层的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蚀液中浸泡至表面光亮后取出，洗净表面的腐蚀液，或将镀层的Ti-22Al-25Nb合金采用机械抛光至表面光亮，即可得到覆有富α₂相层的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蚀液由HF、H₂O₂和H₂O按照体积比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

本实施方式步骤一中先采用丙酮清再采用酒精是为了去除合金表面的油渍等脏物；保证合金在受热过程中受热均匀，表面质量均已，同时防止污渍氧化燃烧影响加热炉及合金板材。

本实施方式步骤二中的热处理使合金件充分受热，组织转变充分。在合金表面会形成一层富α₂相层，富α₂相的厚度由热处理的温度及保温时间决定。热处理后取出进行水淬，以保留这层富α₂相层。保温温度越高，保温时间越长则富α₂相层的厚度越厚，一般富α₂相层最厚能达到100μm左右。但是随着保温时间的增长，最外层的氧化皮的厚度也随着增长，氧化皮对合金的表面质量是有害的，所以一般保温时间控制在15min～30min之间。

本实施方式步骤二所述氧化层由大量的Al₂O₃及TiO₂构成。这层氧化层对合金的表面性能有较大的损害，所以要去除这层表面氧化层。步骤三中通过浸泡，使得合金表面的黑色的氧化皮会发生脱落，露出光亮的内层富α₂相层，之后用水清洗表面将腐蚀液冲刷干净，再用酒精清洗一遍即可。而机械抛光可以采用铣床或者车床将合金表面的氧化皮去除，去除厚度为20μm左右，需要注意的是采用机械抛光过程中一定要控制好去除量，否则将对富α₂相层造成影响。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中热处理温度为800℃。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中热处理温度为900℃。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中热处理温度为950℃。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中热处理温度为1000℃。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中热处理温度为1100℃。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中热处理时间为20min。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中热处理时间为25min。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中机械抛光的表面切除量为20μm。其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高强耐磨层的方法按以下步骤进行：

一、表面清理：将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，得到表面洁净的Ti-22Al-25Nb合金；

二、热处理：将表面洁净的Ti-22Al-25Nb合金放入热处理炉中进行热处理，热处理温度为1200℃，热处理时间为15min，热处理完成后取出进行水淬，得到镀层的Ti-22Al-25Nb合金；所述镀层的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向内依次覆有氧化层和富α₂相层，所述氧化层的厚度为7μm，所述富α₂相层的厚度为80μm；

三、表面处理：将镀层的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蚀液中浸泡至表面光亮后取出，洗净表面的腐蚀液，即可得到覆有富α₂相层的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蚀液由HF、H₂O₂和H₂O按照体积比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

实施例二：本实施例与实施例一的不同之处在于：步骤二中热处理温度为960℃，热处理时间为30min；所述氧化层的厚度为5μm，所述富α₂相层的厚度为50μm。其他与实施例一相同。

图1为实施例一中未做处理的Ti-22Al-25Nb合金的显微组织图，从图中可以看出合金表面没有任何析出相层，为均一的B2相基体。

图2为实施例一得到的覆有富α₂相层的Ti-22Al-25Nb合金的显微组织图，从图中可以看出经过热处理后合金表面产生了一层富α₂相层，α₂相呈现颗粒及长条状，α₂相为密排六方结构，本身强度高，耐磨性好，是合金的主要强化相，当其在表面大量富集时，就相当于在表面形成了一层膜，使得合金的表面性能大为改善。

图3为实施例二得到的覆有富α₂相层的Ti-22Al-25Nb合金的显微组织图，从图中可以看出富α₂相层中的α₂相主要以颗粒形式存在。