一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法与流程

本发明涉及金属表面处理技术，具体涉及一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法。

背景技术：

钛合金的低硬度、较差的耐磨性以及高温下迅速退化的性能是限制其在航空航天、石化、医疗等方面获得更多应用的主要障碍。统计表明，钛合金约80％的机器零件失效是由摩擦磨损和高温氧化引起的。

由于ti与b反应形成的化合物tibx既具有陶瓷材料的高熔点、高硬度、高强度等特点，又具有金属材料的高导热等优良特性，可显著改善钛合金的耐磨性及其他表面性能，因此在钛合金表面形成钛的硼化物则成为改善钛合金性能的重要途径之一。钛合金表面的原位改性可以使表面改性层与基体间无明显界面，且可处理具有复杂结构的特异性结构部件，改性层与基体冶金结合，可显著提高结合力，在诸多改性方法中，渗硼法不需要专用的设备、操作简便、推广容易，可在钛合金基体表面得到原位冶金结合的硼钛化合物层，但渗层厚度薄、效率低，且由于基体材质的限制，有时得到单相tib，有时得到双相渗层，为了稳定其渗硼效果，并且得到工业应用更为可靠的双相梯度渗层结构，本发明采用“pvd+渗硼法”来进行改善。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法。所述制备方法，具体为：预先在钛合金基体表面沉积一层纯钛层，然后再经渗硼法，生长获得硼钛复合层。

为了获得稳定的双相硼钛复合层，本发明采用先在钛合金基体表面沉积一层纯钛层，并且保持纯钛层具有一定的孔隙率，然后将其放置于坩埚中密封进行渗硼处理，通过对试验对比分析，发现活性硼原子在渗硼过程中可通过纯钛层的孔隙，扩散至钛合金基体中，一方面与基体的ti形成tib，另一方面扩散至孔隙中的多余活性[b]会与纯钛层中的ti化合成tib2，随着渗硼时间的延长，tib晶须不断生长，大量活性硼原子也促进了表面tib2的增长，最终获得稳定的双相硼钛化合物层。

其中，所述纯钛层的厚度为从纳米级、微米级到毫米级均可调式；

所述纯钛层的孔隙为3％～12％。

本发明提供一种pvd+渗硼法制备硼钛化合物层。所述pvd法，将pvd具有的孔隙与渗硼时活性硼原子的高温扩散特性相结合，开发出两种工艺复合条件下制备的钛合金渗硼层具有稳定的双相性。

所述沉积的方法以pvd法具体为：氩气气氛中，在所述钛合金基体的表层，以钛靶电流从3～5a逐渐减少至0.15～0.5a，碳靶电流从0a逐渐增至0.2～0.6a，氩气流量在20～40sccm的条件，沉积2～6h，获得沉积了纯钛层的钛合金基体。

本发明为了避免其他杂质和因素的影响，所述钛合金基体预先需要进行深度清洁；所述深度清洁包括除油、表面打磨、超声清洁、等离子体清洗；

优选的，所述深度清洁具体为：

1)将金属洗净剂与水混合配制成浓度为3～10％的溶液，升温至55～60℃，将所述钛合金基体浸入金属洗净剂溶液中，浸泡除油1～2小时；

2)依次利用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#型号的水磨砂纸对所述钛合金基体进行打磨；

3)以丙酮为清洗剂，超声清洗所述钛合金基体30～60min，然后再采用去离子水超声清洗30～60min；

4)将所述钛合金基体置于pvd装置中，抽真空至真空度为2～20帕起辉，随后等离子体清洗3～10min。

本发明可选的，所述渗硼法具体为：将渗硼剂填埋至沉积了纯钛层的钛合金基体的表面，然后置于900～990℃的温度下，保温2～10h。

优选的，所述渗硼剂为质量比(90～98):(10～2)的供硼剂和催渗剂；

更优选的，所述渗硼剂的粒度不大于50μm。

本发明提供一种优选方案，所述制备方法包括如下步骤：

1)将钛合金基体进行深度清洁，所述深度清洁包括除油、表面打磨、超声清洁、等离子体清洗；

2)采用pvd法在所述钛合金基体上沉积一层纯钛层；

其中，所述纯钛层的孔隙为3％～12％；

3)然后将渗硼剂填埋至沉积了纯钛层的钛合金基体的表面，然后置于900～990℃的温度下，保温2～20h，生长获得硼钛复合层。

采用上述制备方法获得的硼钛复合层可有效的控制厚度以及生长方向。本发明不仅使钛合金的耐磨性能得到显著提高，能够承受更大的载荷，而且对轻量化钛合金在更苛刻条件下的稳定应用提供了可靠性。

与现有技术相比较，本发明方法的至少具有以下有益效果：

1)沉积的纯钛层具有一定孔隙率，可为活性硼原子提供扩散通道，且可以改善纯钛的沉积质量，后续渗硼处理形成的tibx层具有“钉扎”作用。

2)本发明所述的制备方法可在任一温度(900～990℃)和任一保温时间(2～20h)条件下均能稳定获得双相硼化物层，不仅使钛合金的耐磨性能得到显著提高，能够承受更大的载荷，而且对轻量化钛合金在更苛刻条件下的应用提供了稳定性。

附图说明

图1为本发明制得的硼钛复合层的示意图；

图2为实施例1制得的硼钛复合层的断面sem形貌图；

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以下实施例中所用钛合金试样为tc4，尺寸为20mm×20mm×10mm。

实施例1

本实施例提供一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法，如图1所示，具体为：

步骤一)钛合金基体表面处理

1)除油：将金属洗净剂与水混合配制成浓度为5％的溶液，升温至58℃，将钛合金基体浸入金属洗净剂溶液中，浸泡除油1.5小时；

2)表面打磨：将水洗后的钛合金基体的表面依次利用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#型号的水磨砂纸进行打磨；

3)超声清洗：先以丙酮为清洗剂，用超声波清洗机将经过表面抛光的钛合金基体室温清洗40分钟；然后以去离子水为清洗剂，用超声波清洗40分钟；

4)等离子体清洗：将钛合金基体置于pvd装置中，抽真空至真空度为2～20帕起辉，随后等离子体清洗3～10min。

步骤二)pvd法制备纯钛层

1)将钛合金基体置放于旋转工作台上，在旋转工作台的外围放有一个碳靶和一个钛靶，将腔体预抽真空，通入氩气；

2)钛靶电流从4a逐渐减少至0.2a，碳靶电流从0a逐渐增至0.5a，氩气流量在30sccm，沉积时间为5h，沉积纯钛底层；

步骤三)渗硼剂制备

取纯度为95～99％的供硼剂、催渗剂按质量百分比配料，混合均匀，使混合物粉末的粒度＜50μm。

步骤四)渗硼处理

将经过步骤二)表面沉积了纯钛层的钛合金基体置于刚玉坩埚中，并用步骤三)预制的渗硼剂将其填埋；然后将坩埚密封，置于高温炉中，加热至960℃，保温2～20h，随后取出空冷至室温。

渗硼后的tc4试样经x射线衍射分析(xrd)检测分析，渗层主要为硼化物tib与tib2，经扫描电镜(sem)检测，试样表层的渗硼层致密、与基体楔合良好。

如图2所示，本实施例制得的硼钛复合层，渗层厚、定向生长。

实施例2

本实施例提供一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法，与实施例1的具体仅在于：

步骤四)中“加热至960℃”，替换为“加热至980℃”。

渗硼后的tc4试样经x射线衍射分析(xrd)检测分析，渗层主要为硼化物tib与tib2，经扫描电镜(sem)检测，试样表层的渗硼层致密、与基体楔合良好。

实施例3

本实施例提供一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法，与实施例1的具体仅在于：

不同之处步骤3中的加热时间为10h。

渗硼后的tc4试样经x射线衍射分析(xrd)检测分析，渗层主要为硼化物tib与tib2，经扫描电镜(sem)检测，试样表层的渗硼层致密、与基体楔合良好。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。