一种电子束扫描TC4实现表面合金化的方法

本发明属于钛合金高能束表面合金化领域，具体涉及一种电子束扫描tc4实现表面铝加碳化硅合金化的方法。

背景技术：

1、tc4（ti6al4v）合金是一种中等强度的 α+β型两相钛合金，由于其具有比强度高、无磁性、密度小、耐蚀性好、以及良好的生物相容性等优点，因此被广泛应用于航天航空、舰船和航海、生物医学、汽车制造等领域，其使用量占所有钛合金的50%以上。但在实际应用中依然存在着硬度不高（280hv-320hv）、耐磨性差以及在某些介质中耐蚀性能较差等一些与表面性能相关的问题，对 tc4 结构件的安全性和可靠性造成不利影响，从而制约了其更广泛的应用。为了保证钛合金tc4能够在恶劣环境下服役过程中充分发挥自身的优良性能，除了改良其整体成分组成和工艺，至今最为有效的方法是表面改性技术。

2、扫描电子束表面合金化技术是利用粘结剂、磁控溅射、超音速喷涂、等离子热喷涂等预涂覆技术在工件表面预先制备一层具有一定厚度的合金粉末涂覆层，使涂覆层与工件表面较好的连结在一起，然后用扫描电子束表面改性技术对涂覆合金层的工件处理，通过调节电子束焊机的功率密度与作用时间，使涂覆层与基体表面同时熔化，达到冶金结合状态，在工件表面形成新的合金强化层，同时可以保持心部良好的韧性和塑形，从而大幅提高工表面性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是：

2、本发明对钛合金tc4工件进行铣削、开槽，用丙酮和无水乙醇溶剂对铣削后的试块进行超声波清洗；最后通过电子束处理得到试样成品。本发明在有效提升表面硬度的同时，可提高试块表面耐磨性，对tc4具有极好的实际应用场景。

3、本发明所采用的技术方案是：一种电子束扫描处理tc4实现表面al+sic合金化的方法，包括以下步骤：

4、步骤1：前期处理，将tc4表面进行铣削，使其表面平整，再用铣床在其表面开出长度为40mm、宽度为8mm、深度为1.5mm、的凹槽和与凹槽大小相等的模具，最后用超声波清洗处理后的试块去除表面污渍，提高粉末亲和力。

5、步骤1结束后进行步骤2;

6、步骤2：压粉，将al和sic质量比为2:8的粉末混合后倒入凹槽，用与凹槽同样大小的模具覆盖在tc4表面，最后用压力机施加40mpa的力，保持15分钟后取下模具，压制后粉末厚度约为0.5mm,粉末与tc4表面实现良好结合。

7、步骤2结束后进行步骤3;

8、步骤3：电子束处理，将粉末压制后的tc4工件的工件放置于电子束焊机的热加工室内，用扩散泵串联罗茨泵对电子枪室和焊接加工室进行抽真空，使得电子枪室真空度为1.33×pa,加工室真空度为5×pa。设定电子束焊机工艺参数，电子束流加速电压为60kv，电子束聚焦电流为390ma,电子束加工束流为16ma、18ma、20ma,电子枪移动速度为1mm/s,电子束束斑直径为10mm。然后使用电子束对压制好的粉末进行表面处理，得到合金化后的成品。

9、步骤3结束后进行步骤4;

10、步骤4：组织与性能测试，用线切割将处理后的表面割下打磨抛光后制成金相式样，利用geminisem 300电子显微镜观测试块组织，利用hdx-1000tm显微硬度计以0.96n载荷、15s加载时间来测量工件显微硬度;hsr-2m摩擦磨损试验机在载荷10n，往复长度为3mm,测试30min的条件下测量工件表面耐磨性能。用天平精度为0.0001g的fa1104n型电子天平测量试样的磨损失重量。

11、根据权利要求1所述的一种电子束扫描tc4实现表面合金化的方法，特征在于：步骤1前需进行切削处理，采用数控铣床将钛合金tc4工件切割成长、宽、高分别为50mm×50mm×50mm的试块，铣削过程中保持每个工件的进刀量一致、铣削速度相同，得到铣削后的试块。

12、根据权利要求1所述的一种电子束扫描tc4实现表面合金化的方法，特征在于：步骤1所述的超声波清洗溶剂主要成分为丙酮和无水乙醇。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明采用电子束扫描tc4的方式实现表面合金化，在提高tc4基体表面硬度的同时，还可有效提升试样表面的耐磨性。本发明采用电子束扫描的方式，在tc4表面与粉末结合层快速升温，使al和sic融化后与基体反应生成tic、ti5si3等增强相，大幅度提高表面硬度的同时，提高表面耐磨性和其他物理性能。

14、2.本发明关于电子束扫描tc4实现表面合金化的过程是在真空加工室内进行，可保证加工过程环境无污染，避免钛合金tc4与外界接触；同时能量传递介质为电子，具有能量转换高、作用效果好等特点。

15、3.本发明制备的tc4基体显微硬度约为300hv，由于合金层中存在未熔sic颗粒和生成tic等陶瓷材料，所以测得合金层最大显微硬度为2691.5hv，约为基体硬度的8.5倍，平均显微硬度为1445.3hv约为基体的5倍，即经过本发明电子束扫描合金化，tc4试块表面硬度得到大幅提高。在10n载荷下，往复长度为4mm,测试30min，磨失重量仅为0.0008g,相较于未电子束处理的试块磨损重量0.0031g有较大提升。

技术特征：

1.一种电子束扫描tc4实现表面合金化的方法，包括以下步骤：步骤1：前期处理，将tc4表面进行铣削，使其表面平整，再用铣床在其表面开出长度为40mm、宽度为8mm、深度为1.5mm、的凹槽和与凹槽大小相等的模具，最后用超声波清洗处理后的试块去除表面污渍，提高粉末亲和力；

2.根据权利要求1所述的一种电子束扫描tc4实现表面合金化的方法，特征在于：步骤1前需进行切削处理，采用数控铣床将钛合金tc4工件切割成长、宽、高分别为50mm×50mm×50mm的试块，铣削过程中保持每个工件的进刀量一致、铣削速度相同，得到铣削后的试块。

3.根据权利要求1所述的一种电子束扫描tc4实现表面合金化的方法，特征在于：步骤1所述的超声波清洗溶剂主要成分为丙酮和无水乙醇。

技术总结
本发明公开一种电子束扫描TC4实现表面Al+SiC合金化的方法，具体包括以下步骤：步骤1：前期处理，将TC4表面进行铣削，使其表面平整，再用铣床在其表面开出深度为1.5mm的凹槽，最后用超声波清洗处理后的试块。步骤2：压粉，将不同比例Al和SiC粉末混合后用压力机将粉末压入步骤一中的凹槽，压制后粉末厚度约为0.5mm。步骤3：电子束扫描，用电子束束流对工件表面连续扫描处理。步骤4：合金化组织与性能检测，用电子显微镜观察内部组织，使用显微硬度计测量表面硬度，用摩擦磨损试验机检测其耐磨性。即本发明公开的方法不但能提升TC4钛合金表面硬度，还可提高钛合金试块的耐磨性，具有极好的应用场景。

技术研发人员：王荣,李发亮,魏德强
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15