一种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及TiAl基合金高温抗氧化领域，尤其是涉及一种通过预氧化技术来提高 TiAl基合金高温抗氧化性能的方法。
【背景技术】
[0002] 相比于传统的钛合金及高温合金，TiAl基合金具有十分显著的综合性能，即密度 低、比强度高、优良的抗蠕变性能和高温力学性能。该性能可满足汽车或航空发动机的高温 部件的使用要求，如压气机叶片和增压涡轮等，由于镍基超合金密度较大，因而，TiAl基合 金是部分取代镍基高温合金的理想材料。然而，TiAl基合金存在如下缺点：（1)室温塑性较 差；（2)高温抗氧化性能严重不足，当使用温度高于750°C时，氧化严重，这极大地破坏力学 性能。TiAl基合金高温氧化时，Ti元素和A1元素会竞争氧化，表面形成不具保护作用的 Ti02、Al2〇3混合物氧化膜。目前，改善TiAl基合金高温抗氧化性能主要有以下两种方法：（1) 整体合金化，即在TiAl基合金中添加 Ti、A1以外的元素，如Nb、Si、W等元素，来提高抗氧化性 能；（2)TiAl合金表面处理技术，包括表面合金化和涂层技术，通过在合金表面形成具有保 护作用的膜或涂层(如包埋渗铝、表面离子注入等），以提高TiAl基合金高温抗氧化性能。 [0003] 尽管AI2O3与Ti〇2的分解压在常压下很接近，但根据Ellingham图可以看出AI2O3的 分解压仍然小于Ti0 2分解压，即A1元素比Ti元素具有更高的活性。气体通量与气体分压可 用 Hertz-Knudsen-Langmuir 方程表不：
[0004]
[0005] 其中，Jmax为最大气体流量，T为温度，Peq为气体平衡分压，Μ为分子量，R为气体常 数。在低氧分压下，由于气体流通极慢，反应的控制步骤应为氧分子在合金表面的撞击过 程，在低氧压气氛中Α1元素将会优先氧化形成Α1 2〇3，因此，可将TiAl基合金在低氧压气氛中 氧化一定的时间，在其表面形成具有保护性的ai2〇 3氧化膜以提高合金的抗氧化性能，这就 是所谓的预氧化处理。预氧化处理相比于整体合金化，具有不破坏合金整体力学性能的优 势;预氧化相比于涂层和表面离子注入等，具有工艺简单，成本低廉的优势。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单、成本 低廉、能够通过提供极低氧气分压环境及不破坏材料的整体力学性能的预氧化技术提高 TiAl基合金高温抗氧化性能的方法。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008] -种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，包括以下步骤：
[0009] (1)将预处理的TiAl基合金的表面依次埋覆金属氧化物粉末层及该金属与其氧化 物的混合粉末层，并置于惰性气氛或真空环境中；
[0010] (2)升温至800~1000°C，保持2~20h，在TiAl基合金周围形成极低氧气分压环境， 促进TiAl基合金表面生成致密的Al2〇3膜，从而提高TiAl基合金高温抗氧化性能。
[0011 ]所述的金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的质量含量为10~90%。
[0012]埋覆的金属包括锰、锆、铝或钛。
[0013]优选地，埋覆的金属为铝。
[0014] 所述的金属氧化物粉末层中的金属氧化物的粒径为80~600目。
[0015] 所述的金属与其氧化物的混合粉末层中的金属粉末的粒径为40~500目，金属氧 化物粉末的粒径为80~600目。
[0016]所述的极低氧气分压环境中的氧气分压为10-15~l(T38atm。
[0017] 所述的步骤（1)中的惰性气氛通过机械方法抽真空并充入惰性气体，循环此过程1 ~5次形成。
[0018] 优选地，充入惰性气体至一个大气压。
[0019] 所述的惰性气体为高纯氩气或高纯氦气。
[0020] 所述的步骤(2)的升温过程的升温速率为5~10K/min。
[0021] 其中，步骤(1)中的预处理是指将TiAl基合金打磨光滑，并用丙酮清洗。
[0022] 本发明针对TiAl基合金高温下易氧化问题，提出一种通过预氧化技术来提高TiAl 基合金高温抗氧化性能的方法。鉴于在低氧分压下氧化速率的控制步骤是氧分子与合金表 面的撞击过程，而Al2〇3的分解压低于Ti0 2,使得在有限的氧含量下，氧会优先选择和A1接触 生成Al2〇3,从而形成一层致密的Al 2〇3氧化物薄膜，阻止氧的进一步向内扩散，提高材料的 高温抗氧化性。
[0023] 本发明通过多次循环抽真空和通入惰性气体的机械过程最大化地降低氧气分压； 通过预先依次埋覆金属氧化物粉末层及该金属与其氧化物的混合粉末层，以及之后的升 温、保温过程，使得混合粉末层中的还原性较强的金属粉末与氧气反应，例如金属为铝时， 使反应4Al+30 2 = 2Al2〇3达到热力学平衡，从而通过化学方法获得极低氧分压，此处所述的 还原性较强是指在800~1000°C，还原性强于C元素而小于Mg元素;例如Mn、Zr、Ti及A1等，具 体活性顺序(800 ~1000 °C)如下:Mg>Zr >A1 >T i >Mn>C。
[0024] 本发明步骤(2)升温过程的速率为5~10K/min，升温速度过高将导致TiAl基合金 中Ti的氧化，速度过低，浪费时间，效率降低。步骤⑵升温至800~1000°C，保持2~20h，优 选保温时间为5~15小时，保温时间过短就无法拥有充足的时间形成Al 2〇3膜，太长就浪费时 间，降低效率。保温温度太低形成Al2〇3膜速度较慢，效率不高;温度太高Ti就易氧化，无法形 成Al 2〇3膜。本发明的这三个指标可以在较短的时间内获得致密纯净的Al2〇3层。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0026] (1)和整体合金化相比，该方法不会破坏材料的整体力学性能；
[0027] (2)和抗氧化涂层、表面离子注入与包埋渗铝等相比，该方法原材料廉价易得，工 艺简单。
【附图说明】
[0028] 图1为实施例1的TiAl基合金样品的埋覆示意图；
[0029]图2为实施例1经过预氧化处理的TiAl基合金样品恒温氧化实验后的截面SEM图； [0030]图3为实施例1未经预氧化处理的TiAl基合金样品恒温氧化实验后的截面SEM图；
[0031]图中，1为TiAl基合金样品，2为Al2〇3粉末层，3为Al+Al2〇3混合粉末层，4为刚玉管， 5为氧化层，6为TiAl基合金基体层。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0033] 实施例1
[0034] -种通过预氧化提高TiAl基合金高温抗氧化性能的方法，具体包括以下步骤:将 TiAl基合金切割至合适尺寸，用砂纸打磨光滑，并用丙酮清洗后，得到TiAl基合金样品1，置 于刚玉管4中，表面依次埋覆AI2O3粉末层2和AI+AI2O3混合粉末层3,混合粉末层中的A1粉末 的质量分数为30%，具体埋覆方式见图1，将埋覆好样品的刚玉管4置于管式炉内，将管式炉 内抽真空并充高纯氩气，循环三次后，炉内保持一个大气压下的高纯氩状态;管式炉以8K/ min的升温速率升温至950°C，保温10h，样品随炉冷却，在TiAl基合金基体