钛基合金表面改性处理工艺和应用

本发明涉及金属材料表面改性的，更具体地，涉及钛基合金表面改性处理工艺和应用。

背景技术：

1、钛基合金作为一种理想的轻质高温结构材料，其主要性能特点为：较低的密度，较高的杨氏模量以及优异的耐蚀性能和抗蠕变性能，在航空、航天及汽车发动机等领域常作为压气机叶片、增压涡轮和排气阀等高温结构件。然而，当温度超过750℃时，钛基合金的抗高温氧化性能会急剧下降，由于合金中的钛元素在高温环境下化学活度高，生成的金红石二氧化钛或混合氧化物未能给合金提供良好的高温氧化防护。

2、为了解决高温氧化防护问题，当前的研究方向主要有钛基合金整体元素掺杂和表面工程技术。元素掺杂势必会影响钛基合金组织结构的稳定性，进而导致钛基合金的力学性能发生改变；因此表面工程技术是一个很好的研究方向，而表面工程技术主要有表面涂覆技术和表面改性技术。表面涂层技术有mcraly涂层、热障涂层、陶瓷涂层和复合涂层等，但该技术对于原料、基体形状轮廓和涂覆工艺的复杂性限制了其应用；表面改性技术有喷丸、阳极氧化、离子注入和包埋渗等，其中阳极氧化、离子注入和包埋渗表面处理深度有限，未能对钛基合金提供长时间的高温氧化防护，而普通喷丸处理可对钛基合金有充足的加工深度，但未能有效改善表面的化学成分，对合金抗高温氧化性能提升有限。

3、专利cn109628877a公开了一种制备钛基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其对钛基材料表面附着铝箔材料后加热处理，再对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于钛基材料上，得到钛基材料-钛铝合金-铝系材料的“三明治”结构的改性层。但是其铝系材料与钛基合金之间的结合程度有限，钛基合金的抗高温氧化性能有待提高。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有钛基合金的抗高温氧化性能差的缺陷和不足，提供一种钛基合金表面改性处理工艺，能够在钛基合金表面形成抗高温氧化表面改性层，且结合强度高，抗高温氧化性能优异。

2、本发明的另一目的是提供一种具有抗高温氧化表面改性层的钛基合金件。

3、本发明的又一目的是提供一种上述具有抗高温氧化表面改性层的钛基合金件在制备压气机叶片、增压涡轮或排气阀中的应用。

4、本发明上述目的通过以下技术方案实现：

5、本发明保护一种钛基合金表面改性处理工艺，包括以下步骤：

6、s1，取钛基合金工件进行喷丸处理，喷丸材质选自金属粉或金属粉与喷丸球的混合物，所述金属粉选自铝粉、铬粉和铝铬粉的至少一种，得到表面附着金属粉的工件；

7、s2，将步骤s1所述表面附着金属粉的工件在550-650℃下真空热处理，使所述工件表面的金属粉与钛基合金互扩散，随炉冷却，即得表面改性处理的钛基合金。

8、本发明的钛基合金表面改性处理工艺，采用金属粉喷丸处理，或喷丸球辅助金属粉喷丸处理，能够使钛基合金工件表面附着金属粉，且具有较高的加工深度；然后在真空热处理下，所述工件表面的金属粉与钛基合金互扩散，改善钛基合金表面化学成分，钛基合金表面形成含铝和/或铬元素的表面改性层，提高其抗高温氧化性能。

9、在其中一些实施方式中，所述钛基合金为ti-45al-8.5nb合金、ti-50al合金和ti-48al-2cr-2nb合金中的至少一种。

10、在其中一些实施方式中，还包括步骤s1之前处理的预处理步骤，所述预处理步骤为：取钛基合金工件打磨去除表面氧化层，再超声清洗，得到表面预处理的钛基合金工件。

11、优选地，所述打磨为采用50-70目砂纸打磨。

12、优选地，所述超声清洗的时间为10-20min；进一步优选地，所述超声清洗的时间为12-18min。

13、优选地，所述超声清洗中所用超声清洗溶液先后依次为丙酮、去离子水和酒精。

14、在其中一些实施方式中，所述喷丸材质选自金属粉时，所述金属粉粒径为0.1-1000μm；优选地，所述金属粉平均粒径为50-500μm。

15、在其中一些实施方式中，步骤s1中，所述喷丸材质选自金属粉时，按喷丸腔室底面面积计，金属粉末含量为25-125g·cm-2。

16、在其中一些实施方式中，步骤s1中，所述喷丸材质选自金属粉时，喷丸处理的时间为1-8min；优选地，喷丸处理的时间为3-5min。

17、在其中一些实施方式中，步骤s1中，所述喷丸材质选自金属粉时，喷丸参数为：喷丸距离为5-20mm，频率为19-21khz，振幅为70-75μm。

18、在其中一些实施方式中，所述喷丸材质选自金属粉与喷丸球的混合物时，所述金属粉粒径为0.05-1000μm；优选地，平均粒径为5-200μm，更优选为20-80μm。

19、在其中一些实施方式中，金属粉与喷丸球的质量比为：

20、在其中一些实施方式中，所述喷丸材质选自金属粉与喷丸球的混合物时，所述喷丸球粒径为1-3mm；优选为1.5-2.5mm。

21、在其中一些实施方式中，所述喷丸球为氧化铝球、氧化锆球和轴承钢球中的至少一种；优选地，所述喷丸球为氧化铝球。

22、在其中一些实施方式中，步骤s1中，所述喷丸材质选自金属粉与喷丸球的混合物时，喷丸处理时间为2-6min，优选为3-5min。

23、在其中一些实施方式中，步骤s1中，所述喷丸材质选自金属粉与喷丸球的混合物时，所述喷丸参数为：喷丸距离为10-20mm，频率为19-22khz，振幅为70-75μm。

24、在其中一些实施方式中，所述喷丸材质选自金属粉与喷丸球的混合物时，步骤s2中工件在真空热处理之前依次进行抛光和超声清洗处理。通过抛光去除喷丸引起的表面微裂纹和杂质元素。

25、优选地，所述抛光工序中，抛光时间为5-10min，抛光液采用粒径1-10μm的金刚石抛光液。

26、优选地，所述超声清洗的处理时间为5-15min，所用超声清洗溶液先后依次为丙酮、去离子水和酒精。

27、在其中一些实施方式中，步骤s2中，所述真空热处理的温度为590-610℃。

28、在其中一些实施方式中，步骤s2中，所述真空热处理的升温速率为250-350℃/h，保温时间为4-6h。

29、本发明保护一种具有抗高温氧化表面改性层的钛基合金件，由所述的钛基合金表面改性处理工艺处理得到。

30、本发明保护一种具有抗高温氧化表面改性层的钛基合金件在制备压气机叶片、增压涡轮或排气阀中的应用。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、本发明提供一种钛基合金表面改性处理工艺，采用金属粉喷丸处理，或喷丸球辅助金属粉喷丸处理，能够使钛基合金工件表面附着金属粉，且加工深度大；然后在真空热处理下，所述工件表面的金属粉与钛基合金互扩散，改善钛基合金表面化学成分，钛基合金表面形成含铝和/或铬元素的表面改性层，提高其抗高温氧化性能。

技术特征：

1.一种钛基合金表面改性处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的钛基合金表面改性处理工艺，其特征在于，所述喷丸材质选自金属粉时，所述金属粉粒径为0.1-1000μm。

3.根据权利要求1或2所述的钛基合金表面改性处理工艺，其特征在于，步骤s1中，所述喷丸材质选自金属粉时，喷丸处理的时间为1-8min，喷丸参数为：喷丸距离为5-20mm，频率为19-21khz，振幅为70-75μm。

4.根据权利要求1所述的钛基合金表面改性处理工艺，其特征在于，所述喷丸材质选自金属粉与喷丸球的混合物时，所述金属粉粒径为粒径为0.05-1000μm，所述喷丸球粒径为1-3mm。

5.根据权利要求1或4所述的钛基合金表面改性处理工艺，其特征在于，所述喷丸球为氧化铝球、氧化锆球和轴承钢球中的至少一种。

6.根据权利要求1或4所述的钛基合金表面改性处理工艺，其特征在于，步骤s1中，所述喷丸材质选自金属粉与喷丸球的混合物时，喷丸处理时间为2-6min，所述喷丸参数为：喷丸距离为10-20mm，频率为19-22khz，振幅为70-75μm。

7.根据权利要求1所述的钛基合金表面改性处理工艺，其特征在于，步骤s2中，所述真空热处理的升温速率为250-350℃/h，保温时间为4-6h。

8.一种权利要求1所述的钛基合金表面改性处理工艺，其特征在于，所述喷丸材质选自金属粉与喷丸球的混合物时，步骤s2中工件在真空热处理之前依次进行抛光和超声清洗处理。

9.一种具有抗高温氧化表面改性层的钛基合金件，特征在于，由权利要求1-8任一项所述的钛基合金表面改性处理工艺处理得到。

10.一种权利要求9所述的具有抗高温氧化表面改性层的钛基合金件在制备压气机叶片、增压涡轮或排气阀中的应用。

技术总结
本发明公开了钛基合金表面改性处理工艺和应用，涉及金属材料表面改性的技术领域；钛基合金表面改性处理工艺，包括以下步骤：取钛基合金工件进行喷丸处理，喷丸材质选自金属粉或金属粉与喷丸球的混合物，所述金属粉选自铝粉和/或铬粉，得到表面附着金属粉的工件；将步骤S1所述表面附着金属粉的工件在550‑650℃下真空热处理，使所述工件表面的金属粉与钛基合金互扩散，随炉冷却，即得表面改性处理的钛基合金。本发明能够在钛基合金表面形成抗高温氧化表面改性层，且结合强度高，抗高温氧化性能优异。

技术研发人员：伍廉奎,范涛,孙擎擎,曹发和
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/21