专利名称：一种钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法
技术领域：
本发明涉及一种表面改性方法，特别是涉及一种应用于钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法。
背景技术：
表面纳米化技术是由卢柯和吕坚等学者提出的，表面纳米化技术被认为是今后一段时间可将纳米材料应用于工程实际的重要技术之一。该技术是在直接与环境接触的材料表面制备出一定厚度的与基体材质相同但具有纳米晶体结构的表面层，从而提高工程材料的抗疲劳、耐腐蚀、耐摩擦磨损等性能。基于塑性变形诱导的晶粒细化机制，表面机械研磨技术(SMAT)作为块体金属材料表面制备纳米层的专利技术已得到广泛认可。该方法制备出的表面纳米层不改变材料的化学成分，已经成功地在许多金属和合金材料表面合成纳米层，如工业纯铁、低碳钢、不锈钢、Ti合金、Al合金、Cu、镁合金、共析钢、Fe-Ni合金、40Cr和Co等多种金属及合金的表面纳米化。SMAT的主要特点在于将随机强烈的塑性变形引入到金属材料表面，通过高弹性弹丸撞击材料表面，经过高应变速率和重复多方向撞击，在金属材料表面造成剧烈塑性变形， 不断形成各种不同类型的晶体缺陷，以相互转变、作用来协调塑性变形，逐步实现晶粒细化。由于弹丸直径较大(通常为8mm左右)，不会明显改变表面粗糙度，甚至在处理时间延长的情况下使表面粗糙度略有降低。高能球磨技术(HEBM)是一种简单、成熟、低成本、适用材料种类广泛的纳米结构生产技术，制备出的纳米级金属粉末可达20nm 30nm。通过HEBM技术也能够实现材料的表面纳米化，在其过程中，大量球体以随机方向高速撞击、摩擦材料表面，使其产生不断的、 多向的塑性变形，最终得到表面纳米层。使用HEBM技术具有设备要求易实现、所获得的纳米表面结构层硬度高且与基体结合紧密等等优点。大尺寸多晶材料在表面纳米化过程中的晶粒细化机制和塑性变形的机理类似，包括位错的多种运动方式和晶粒边界的变化。塑性变形行为和位错的滑移与材料的晶体结构以及层错能存在密切关系。在高层错能材料中，应变导致位错墙和晶胞的形成，亚晶界的形成将粗晶细化；而在低层错能材料中，塑性变形的模式将由滑移改成机械孪晶的生成(尤其是在低温高应变速率下)。近年来，许多学者对不同材料的表面纳米化机理进行了深入探讨，发现此规律对于体心立方和面心立方结构(FCC和BCC)材料而言基本成立，但对于密排六方结构(HCP)的材料而言，无论其层错能高低，均以机械孪生为主的方式来协调塑性变形，而具有特殊结构的金属间化合物材料，其表面纳米化研究还未见报道。TiAl基金属间化合物由于其自身的原子长程有序排列和特殊的键合方式，表现出与传统合金材料截然不同的优异的力学性能。但是其在室温下的拉伸塑性和断裂韧性较低，这是因为在金属间化合物的长程有序结构中，可开动的滑移系数目有限，超结构位错柏氏矢量大，位错交滑移困难。因此，不同于传统合金材料，TiAl基合金在常温下主要以机械孪晶变形为主，而且Al含量越低，孪生在变形中的作用越明显，只有在提高变形温度后，受热激活的作用，各种位错的可动性得以提高，才能表现出一定的高温塑性。而且，大部分的失效过程发生在材料表面，包括疲劳断裂、侵蚀疲劳、磨损和腐蚀等等，这些失效过程都对材料表面层的结构和性能十分敏感。因此，有效地改善TiAl基合金的表面结构将有助于优化其服役性能、促进其工业化、市场化应用并有效发挥这种材料的优异性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种有效的细化TiAl基合金的表面晶粒大小，提高其表层硬度的钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法。为了解决上述技术问题，本发明提供的钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，步骤如下(1)、将钛铝基金属间化合物材料线切割为样品；(2)、对样品表面进行清洗，然后烘干；(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为200转/ 分 350转/分，使用耐磨钢球尺寸范围为Imm 10mm，使用球料质量比范围为10 1 40 1，球磨时间范围为0. 5小时 M小时。上述步骤(1)中将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为8mmX8mmX8mm 12mmX12mmX12m 的样品。上述步骤( 中使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内55 65度保温2 3个小时取出。采用上述技术方案的钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，有效的细化 TiAl基合金的表面晶粒大小，提高其表层硬度，是一种成本低、效率高且易于产业化的高能球磨技术，通过严格的过程控制，实现了对TiAl基合金进行有效的表面纳米改性。其有益效果是通过高能球磨技术，实现了对TiAl基金属的高应变速率、随机应变方向的表面强烈塑性变形，使其表面晶粒得到充分细化，并且形成了一定厚度的、具有晶粒尺寸渐变梯度的纳米结构表面层，大大增加了表面硬度。综上所述，本发明是一种有效的细化TiAl基合金的表面晶粒大小，提高其表层硬度且成本低、效率高且易于产业化的钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法。
图1高能球磨处理技术的原理图。图2是经过高能球磨处理后试样纵剖面的组织形貌图像。图3是经过高能球磨处理后试样表面纳米层的组织形貌图像。图4是经过高能球磨处理后试样表面的硬度值。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。实施例1 钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，步骤如下(1)、将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为8mmX8mmX8mm的样品；
(2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内55度保温2个小时取出；(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为200转/分， 使用耐磨钢球尺寸范围为1mm，使用球料质量比范围为10 1，球磨时间范围为0. 5小时。参见图1、图2、图3和图4，本发明有效的细化TiAl基合金的表面晶粒大小，提高其表层硬度，是一种成本低、效率高且易于产业化的高能球磨技术，通过严格的过程控制， 实现了对TiAl基合金进行有效的表面纳米改性。其有益效果是通过高能球磨技术，实现了对TiAl基金属的高应变速率、随机应变方向的表面强烈塑性变形，使其表面晶粒得到充分细化，并且形成了一定厚度的、具有晶粒尺寸渐变梯度的纳米结构表面层，大大增加了表面硬度。实施例2 钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，步骤如下(1)、将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为IOmmX IOmmX IOm的样品；(2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内60度保温2. 5个小时取出；(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为300转/分， 使用耐磨钢球尺寸范围为6mm，使用球料质量比范围为20 1，球磨时间范围为12小时。实施例3 钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，步骤如下(1)、将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为12mmX 12mmX 12m的样品；(2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内65度保温3个小时取出；(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为350转/分， 使用耐磨钢球尺寸范围为10mm，使用球料质量比范围为40 1，球磨时间范围为M小时。实施例4 钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，步骤如下(1)、将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为9mmX9mmX9m的样品；(2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内55度保温3个小时取出；(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为320转/分， 使用耐磨钢球尺寸范围为4mm，使用球料质量比范围为25 1，球磨时间范围为8小时。实施例5 钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，步骤如下(1)、将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为IlmmX IlmmX Ilm的样品；(2)、使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内65度保温2个小时取出；(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为250转/分， 使用耐磨钢球尺寸范围为8mm，使用球料质量比范围为30 1，球磨时间范围为18小时。
权利要求
1.一种钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，其特征是步骤如下(1)、将钛铝基金属间化合物材料线切割为样品；O)、对样品表面进行清洗，然后烘干；(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为200转/分 350 转/分，使用耐磨钢球尺寸范围为Imm 10mm，使用球料质量比范围为10 1 40 1， 球磨时间范围为0. 5小时 M小时。
2.根据权利要求1所述的钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，其特征是上述步骤(1)中将钛铝基金属间化合物材料样品线切割为8mmX8mmX8mm 12mmX12mmX12m 的样品。
3.根据权利要求1或2所述的钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，其特征是上述步骤( 中使用超声波清洗样品表面，然后放入烘干机内55 65度保温2 3个小时取出。
全文摘要
本发明公开了一种钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，步骤如下(1)、将钛铝基金属间化合物材料线切割为样品；(2)、对样品表面进行清洗，然后烘干；(3)、将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为200转/分～350转/分，使用耐磨钢球尺寸范围为1mm～10mm，使用球料质量比范围为10∶1～40∶1，球磨时间范围为0.5小时～24小时。本发明通过高能球磨技术，实现了对TiAl基金属的高应变速率、随机应变方向的表面强烈塑性变形，使其表面晶粒得到充分细化，并且形成了一定厚度的、具有晶粒尺寸渐变梯度的纳米结构表面层，大大增加了表面硬度，并有效地提高了制品的疲劳抗性和耐磨性能。
文档编号C22F1/18GK102409269SQ201110360670
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者刘咏, 姚天航, 张伟, 张明阳, 王滴泥 申请人:中南大学