一种钛合金渗氧－扩散固溶复合表面强化处理方法

摘要

本发明涉及一种钛合金表面强化处理方法。具体方法为：(1)将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的MgO、Al

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面处理方法，具体为一种钛合金渗氧-扩散固溶复合表面强化处理方法。

背景技术

钛合金因具有比重小、比强度高、耐蚀性优异以及优良的生物相容性等一系列优异的性能而在航空、航天等国防工业以及民用工业中得到广泛应用。但是由于其硬度低，导致在应用过程中一个最大障碍就是表面耐磨性能问题。零部件的易磨损导致产品的使用成本大大增加。此外，由于钛合金不耐磨损，使其在使用过程中的磨损加剧，从而严重影响整个飞行器或机车的安全可靠性能。

渗氧处理是提高钛合金表面硬度的一种方法，中国发明专利(专利号为01138775.0)，公开了一种钛合金渗氧的方法，但这种方法处理表面存在氧化膜发脆易脱落的问题，需辅以机械方法除去，并且硬化层浅、表面不光亮。

目前在表面改性方法中，关于钛的渗氧硬化方法的研究已经有很多报道。这些方法主要基于氧化的方法在试件表面形成氧固溶层，提高表面层的显微硬度来实现表面强化的目的，但是这些方法在试件表面均不可避免的形成氧化膜层，对材料的性能有很大的影响。如何直接消除氧化膜的不利影响，更好的利用氧固溶硬化层实现表面强化的目的，是本发明的意图所在。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种表面无氧化膜、光亮且渗层深的钛合金表面化学热处理强化方法，即钛合金渗氧-扩散固溶复合表面强化处理方法，本发明在专利申请号为：01138775.0——一种钛合金渗氧的方法的基础上，提供一种改进的钛合金表面化学热处理强化方法，对钛合金进行表面无膜渗氧强化，从而可以更显著延长钛合金的使用寿命，使其得到更大的应用价值。

本发明的技术方案是这样实现的，航空航天、导弹、汽车等使用的钛合金零部件形状各式各样，形状复杂，本发明的特征在于可对其实行整体、均匀、一体强化处理，具体的工艺方法为：

(1)将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的MgO、Al₂O₃、SiO₂、C粉等介质中，在普通空气炉中加热750～850℃，保温30min～600min；

(2)然后将处理的试件置于封闭装置中，在800～900℃的温度下，保温10～50h。利用该方法可对钛合金试件表面进行氧的固溶硬化处理，以此提高钛合金表面的显微硬度，达到强化的目的。

所述的介质可以经过酸洗净化处理。

所述的介质粒度在360目～10目之间。

所述的封闭装置是在高温合金的上表面钻拓宽孔，将经预渗氧处理试件放入孔洞中，上表面采用高温合金圆片作挡板，采用脉冲激光器将上表面的孔缝隙焊封起来，再用手工电弧焊将焊缝再加厚焊一道，使预渗氧处理试件完全密封，以确保高温加热过程中孔洞的密闭性。

本发明的优点：

1、本发明不需要使用真空室等复杂的设备，工艺方法简单，实验操作容易；表面可实现无氧化膜渗氧，可直接消除氧化膜的不利影响，表面光亮；可处理复杂形状的零件；硬化效果好、均匀，渗层深度大、且可以控制，大大延长了零件的使用寿命；成本低，具有很大的经济效益。

2、利用本发明方法可对钛合金试件表面进行氧的固溶硬化处理，以此提高钛合金表面的显微硬度，达到强化的目的。用本发明方法可实现合金表层的硬度达到HV500kg/mm²以上，氧的固溶硬化深度为40～200μm。

3、航空航天、导弹、汽车等使用的钛合金零部件形状各式各样，形状复杂，本发明可对其实行整体、均匀、一体强化处理。

附图说明

图1为本发明简易实验封闭装置示意图。

图2a为实施例1钛合金TC11经复合处理后表层XRD物相分析曲线。

图2b为实施例1钛合金TC11经复合处理后表层显微硬度曲线。

图3a为实施例2钛合金TC11经复合处理后表层XRD物相分析曲线。

图3b为实施例2钛合金TC11经复合处理后表层显微硬度曲线。

图4a为实施例3钛合金TC11经复合处理后表层XRD物相分析曲线。

图4b为实施例3钛合金TC11经复合处理后表层显微硬度曲线。

图5a为实施例4钛合金BT9经复合处理后表层XRD物相分析曲线。

图5b为实施例4钛合金BT9经复合处理后表层显微硬度曲线。

图6a为实施例5钛合金BT20经复合处理后表层XRD物相分析曲线。

图6b为实施例5钛合金BT20经复合处理后表层显微硬度曲线。

具体实施方式

如图1所示简易实验封闭装置示意图，即在高温合金1中钻孔洞，在高温合金1的上表面钻拓宽孔11，将经预渗氧处理试件2放入孔洞中，上表面采用高温合金圆片3作挡板，采用Nd：YAG脉冲激光器将上表面的孔缝隙焊封起来，再用手工电弧焊将焊缝再加厚焊一道，使预渗氧处理试件2完全密封，以确保高温加热过程中孔洞的密闭性。

实施例1

钛合金表面硬度低，不耐磨损，为了提高其表面硬度，本例采用的材料为TC11双相钛合金，进行表面渗氧-扩散固溶复合强化处理，具体步骤如下：将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质MgO中，介质MgO粒度为200目～360目，在普通空气炉中加热750℃，保温120min，表面未见明显的氧化膜存在；然后将处理的试件清洗干净并吹干后置于封闭装置中，在850℃的温度下，保温20h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV460，渗层深度可以达到50μm。表面光滑，无氧化膜存在。

如图2a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。

实施例2

与实施例1不同之处是：

将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质Al₂O₃中，介质Al₂O₃粒度为200目～360目，在普通空气炉中加热800℃，保温90min，表面形成极少量氧化膜；然后将处理的试件置于封闭装置中，在800℃的温度下，保温50h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV490，渗层深度可以达到70μm。表面光滑，无氧化膜存在。

如图3a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。

实施例3

与实施例1不同之处是：

将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质SiO₂中，介质SiO₂粒度为30目-40目，在普通空气炉中加热850℃，保温60min，表面形成少量氧化膜；然后将处理的试件置于封闭装置中，在900℃的温度下，保温10h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV520，渗层深度可以达到90μm。表面光滑，无氧化膜存在。

如图4a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。

实施例4    

与实施例1不同之处是：

本例采用的材料为俄罗斯牌号双相钛合金BT9，将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质C粉中，介质C粉粒度为100目～200目，在普通空气炉中加热750℃，保温600min，表面形成氧化物；然后将处理的试件置于封闭装置中，在850℃的温度下，保温20h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV600，渗层深度可以达到130μm。表面光滑，未检测到氧化膜存在。

如图5a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。

实施例5

与实施例1不同之处是：

本例采用的材料为俄罗斯牌号近α-钛合金BT20，将钛合金材料置于经过酸洗净化处理的介质Al₂O₃中，介质Al₂O₃粒度为10目-30目，在普通空气炉中加热850℃，保温90min，表面形成氧化物；然后将处理的试件置于封闭装置中，在850℃的温度下，保温20h。氧固溶层的显微硬度可以达到HV620，渗层深度可以达到150μm。表面光滑，未检测到氧化膜存在。

如图6a-b所示为复合处理后表层的XRD物相分析及显微硬度测试结果。

另外，经试验表明，本发明将钛合金材料置于经过处理的介质中，在大气气氛下，普通空气炉中加热750～850℃的范围内，保温30min～600min；然后将处理的试件置于封闭装置中，在800～900℃的范围内，保温10～50h，均可在钛合金试件表面形成较深的氧固溶硬化层。本发明适用于双相钛合金、近α-钛合金以及α-钛合金。