一种改善TiAl基合金表面性能的表面处理方法

摘要

一种改善TiAl基合金表面性能的表面处理方法，它涉及一种含高含量β相稳定元素TiAl基合金的表面处理方法。本发明将含高含量β相稳定元素的TiAl基合金放入到以石墨或含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中或放入到以非石墨或非含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中，在以非石墨或非含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中加入0.001～20000g的石墨粉、碳粉、含碳的单质或含碳化合物进行热等静压表面处理，热等静压表面处理的温度为800～1500℃，热等静压表面处理的压力为1～300MPa，热等静压表面处理的保温时间为1分钟至20小时。本发明利用TiAl基合金必须的热加工方法进行加工处理，具有成本低、实现起来容易、不增加额外设备的投入的优点。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种含高含量β相稳定元素TiAl基合金的表面处理方法。

背景技术：

TiAl金属间化合物(以下简称TiAl基合金)具有低密度、高比强度、高比刚度、高弹性模量、耐腐蚀和高温抗蠕变性好等优点，成为航空航天、工业燃气轮机以及汽车工业中最具潜力的高温结构材料之一。TiAl基合金特别适于制造那些惯性大、在高温条件工作的零部件，其部件在大多数工作状态下，有高温高速气流流过，异物冲击或高温摩擦，高温下受强烈的氧化和磨损。因此，TiAl基合金在高温下的抗氧化和耐磨性的好坏是决定工作部件寿命的关键因素之一。随着TiAL基合金各种强韧化措施研究的不断深入，室温脆性等阻碍TiAL基合金实用化问题的逐步改善，TiAl基合金耐磨性差及700℃以上抗高温氧化性差便成为急待解决的关键性问题。工件的磨损和氧化总是从表面开始的，表面的失效往往会导致整个零件的损坏。因此，对TiAl基合金部件进行表面改质改性的处理方法，对其耐磨及高温氧化性能的提高具有十分重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是为解决已有TiAl基合金耐磨性差及700℃以上抗高温氧化性差的问题，提供一种改善TiAl基合金表面性能的表面处理方法，本发明具有工艺简单、成本低，处理后的TiAl基合金材料或构件表面的高温抗氧化性、硬度以及耐磨性都得到显著提高的特点。本发明的方法是：将含高含量β相稳定元素的TiAl基合金放入到以石墨或含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中或放入到以非石墨或非含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中，在以非石墨或非含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中加入0.001～20000g的石墨粉、碳粉、含碳的单质或含碳化合物进行热等静压表面处理，表面处理过程中采用氩气或其它惰性气体作为保护气体，边升温边充入氩气，到达表面处理的温度和压力后，进行保温，到达保温时间后随坩埚自然冷却至室温即可；热等静压表面处理的温度为800～1500℃，热等静压表面处理的压力为1～300MPa，热等静压表面处理的保温时间为1分钟至20小时。所述TiAl基合金中Ti含量为20-80at.％，Al含量为20-60at.％。所述升温速度为每分钟＞1℃。所述含高含量β相稳定元素的TiAl基合金为：TiAl基合金中β相稳定元素的原子百分比为2～15at％。所述TiAl基合金中的β相稳定元素为：Nb、V、Mo、Ta、Ni、Cr、Mn、Fe、Co、Cu或Si。经过本发明方法处理后的试样，表面呈现出黑色，用砂纸抛光或喷沙、喷丸抛光后，可以去除表面的黑色含碳层(材料使用时也可以不去除黑色含碳层，有利于提高高温抗氧化性)。去除黑色层后，试样表面呈金属光泽，这时的表层晶粒，通过金相观察，可以发现都转变成全层片组织(表层晶粒以下的内部组织仍然为含β相显微组织)。与未经过表面处理的表面或材料基体相比，这层全层片组织晶团的硬度、耐磨性以及高温抗氧化性(600℃-1000℃)都得到显著的提高。本发明是利用TiAl基合金必须的热加工方法(热等静压)进行加工处理的，具有成本低、实现起来容易、不增加额外设备的投入、容易批量加工的优点。

附图说明：

图1是具体实施方式六的TiAl基合金热等静压表面处理工艺曲线图，图2是具体实施方式六中处理前表层显微组织形貌图，图3是具体实施方式六中处理后表层显微组织形貌图，图4是具体实施方式七的TiAl基合金热等静压表面处理工艺曲线图，图5是具体实施方式七中处理前表层显微组织形貌图，图6是具体实施方式七中处理后表层显微组织形貌图。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式的方法是：将含高含量β相稳定元素的TiAl基合金放入到以石墨或含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中或放入到以非石墨或非含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中，在以非石墨或非含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中加入0.001～20000g的石墨粉、碳粉、含碳的单质或含碳化合物进行热等静压表面处理，表面处理过程中采用氩气或其它惰性气体作为保护气体，边升温边充入氩气，到达表面处理的温度和压力后，进行保温，到达保温时间后随坩埚自然冷却至室温即可；热等静压表面处理的温度为800～1500℃，热等静压表面处理的压力为1～300MPa，热等静压表面处理的保温时间为1分钟至20小时。所述TiAl基合金中Ti含量为20-80at.％，Al含量为20-60at.％。所述升温速度为每分钟＞1℃。所述含高含量β相稳定元素的TiAl基合金为：TiAl基合金中β相稳定元素的原子百分比为2～15at％。所述TiAl基合金中的β相稳定元素为：Nb、V、Mo、Ta、Ni、Cr、Mn、Fe、Co、Cu或Si。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于，具体实施方式一中在以石墨或含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中不加入石墨粉、碳粉、含碳的单质或含碳化合物，本实施方式为了更好的进行表面处理在以石墨或含碳材料为热源材质的热等静压设备的坩埚中加入0.0001～10000g的石墨粉、碳粉、含碳的单质或含碳化合物进行热等静压表面处理。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式的热等静压表面处理的温度为810～1430℃，热等静压表面处理的压力为5～290MPa，热等静压表面处理的保温时间为10分钟至19小时。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式的热等静压表面处理的温度为860～1400℃，热等静压表面处理的压力为10～270MPa，热等静压表面处理的保温时间为30分钟至18小时。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式的热等静压表面处理的温度为1100℃，热等静压表面处理的压力为100MPa，热等静压表面处理的保温时间为5小时。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：(参见图1～图3)本实施方式的方法是：取一块方形(40mm×40mm×40mm)的Ti-40Al-9V-0.3Y合金试样，放入到热源为石墨材质的热等静压设备的坩埚中，不另外加入石墨粉或碳粉或者其他含碳的单质及含碳的化合物，进行热等静压表面处理。实验过程中采用氩气作为保护气体，边升温边充氩气直至170MPa，然后开始在1250℃条件下保温，保温3小时后随坩埚缓冷至室温即可。表面处理完成后，通过砂纸磨去表面的黑色层，再进行抛光，通过金相显微镜观察表面表层显微组织。处理前后表层显微组织的形貌如图2、图3所示。由图2、图3可以发现，含高含量β相稳定元素TiAl基合金表面层晶团的显微组织发生显著的变化，由典型的含β相显微组织转变成全层片组织。通过性能测试表明，与未经过表面处理的表面或材料基体相比，这层全层片组织晶团的硬度、耐磨性以及700℃高温抗氧化性都得到显著的提高。

具体实施方式七：(参见图4～图6)本实施方式的方法是：取一块圆柱状(直径φ50mm×100mm)的Ti-40Al-9Nb合金试样，放入到热等静压设备的坩埚中，在坩埚中加入5g的石墨粉，进行热等静压表面处理。实验过程中采用氩气作为保护气体，边升温边充氩气直至200MPa，然后开始在1270℃下保温，保温4小时后随坩埚缓冷至室温即可。表面处理完成后，通过砂纸磨去表面的黑色层，再进行抛光，通过金相显微镜观察表面表层显微组织。处理前后表层显微组织的形貌如图5、图6所示。由图5、图6可以发现，含高含量β相稳定元素TiAL基合金表面层晶团的显微组织发生显著的变化，由典型的含β相显微组织转变成全层片组织。通过性能测试表明，与未经过表面处理的表面或材料基体相比，这层全层片组织晶团的硬度、耐磨性以及900℃高温抗氧化性都得到显著的提高。