本發(fā)明涉及一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強(qiáng)耐磨層的方法。

背景技術(shù)：

隨著宇航技術(shù)的發(fā)展，航天器的運(yùn)行速度不斷提高，高性能的金屬材料也在快速發(fā)展，而Ti-22Al-25Nb合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度以及良好的高溫蠕變性能和抗氧化性能，是一種新的優(yōu)異的航天航空結(jié)構(gòu)材料。Ti-22Al-25Nb合金目前主要應(yīng)用于航天航空器中的結(jié)構(gòu)支架及蒙皮覆蓋件，進(jìn)而廣受研究。Ti-22Al-25Nb合金以O(shè)相為基礎(chǔ)，由O相、B2相和α₂相組成，其中O相為正交結(jié)構(gòu)；B2為體心立方結(jié)構(gòu)具有較多的滑移系，是塑性相；α₂相為密排六方結(jié)構(gòu)，具有高的強(qiáng)度及耐磨性，是合金的強(qiáng)化相。合金通常采用鍍層的方式來改變其表面性能，使其在高溫下不僅具有優(yōu)異的綜合的力學(xué)性能，同時(shí)還具有高性能的表面結(jié)構(gòu)。但是表面鍍層的工藝復(fù)雜，適合的鍍層材料較少，同時(shí)鍍層還存在失效脫落等問題，是一直困擾著人們的一個(gè)重要問題。而通過一種方法手段使合金自生成一層高強(qiáng)、耐磨的鍍層，能大幅降低合金的生產(chǎn)成本，增加合金鍍膜的使用壽命，對推進(jìn)合金普及使用有著重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有表面鍍層的工藝復(fù)雜，適合的鍍層材料較少，同時(shí)鍍層還存在失效脫落的問題，而提供一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強(qiáng)耐磨層的方法。

本發(fā)明一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強(qiáng)耐磨層的方法按以下步驟進(jìn)行：

一、表面清理：將Ti-22Al-25Nb合金表面先采用丙酮清洗1～3次，再采用酒精清洗1～3次，得到表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金；

二、熱處理：將表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金放入熱處理爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為750℃～1200℃，熱處理時(shí)間為15min～30min，熱處理完成后取出進(jìn)行水淬，得到鍍層的Ti-22Al-25Nb合金；所述鍍層的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向內(nèi)依次覆有氧化層和富α₂相層，所述氧化層的厚度為5μm～10μm，所述富α₂相層的厚度為70μm～100μm；

三、表面處理：將鍍層的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蝕液中浸泡至表面光亮后取出，洗凈表面的腐蝕液，或?qū)㈠儗拥腡i-22Al-25Nb合金采用機(jī)械拋光至表面光亮，即可得到覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蝕液由HF、H₂O₂和H₂O按照體積比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過高溫?zé)崽幚韥磉_(dá)到增加一層富α₂相鍍層的方法。其原理是在高溫下合金原子的遷移能力增加，高溫時(shí)表面由于與外部的高溫空氣接觸而發(fā)生了氧化行為，合金中的Ti及Al原子容易與O原子結(jié)合形成Al₂O₃及TiO₂，而Nb元素與O的親和力不佳，從而不容易形成氧化物，所以Ti、Al會向表層富集而Nb元素向內(nèi)層富集的現(xiàn)象。所以在表層附近會形成一層貧Nb層，而α₂相在高溫及貧Nb條件下非常容易產(chǎn)生，進(jìn)而形成了一層α₂相層，α₂相層的平均硬度為450.2HV明顯高于內(nèi)部B2相基體的335.3HV，也進(jìn)一步反映出其強(qiáng)度也高于內(nèi)部B2相基體。同時(shí)由于α₂相是密排六方結(jié)構(gòu)的晶體，所以其耐磨性遠(yuǎn)高于體心立方的B2基體。所以該相層的高強(qiáng)度及高耐磨性使得其成為了比較理想的表面鍍層，同時(shí)由于該層又是自身生成的，所以其與內(nèi)層的金屬的結(jié)合性能非常好，其使用壽命極大的加長，是一種良好的鍍層。

附圖說明

圖1為實(shí)施例一中未做處理的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖；

圖2為實(shí)施例一得到的覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖；

圖3為實(shí)施例二得到的覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強(qiáng)耐磨層的方法按以下步驟進(jìn)行：

一、表面清理：將Ti-22Al-25Nb合金表面先采用丙酮清洗1～3次，再采用酒精清洗1～3次，得到表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金；

二、熱處理：將表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金放入熱處理爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為750℃～1200℃，熱處理時(shí)間為15min～30min，熱處理完成后取出進(jìn)行水淬，得到鍍層的Ti-22Al-25Nb合金；所述鍍層的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向內(nèi)依次覆有氧化層和富α₂相層，所述氧化層的厚度為5μm～10μm，所述富α₂相層的厚度為70μm～100μm；

三、表面處理：將鍍層的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蝕液中浸泡至表面光亮后取出，洗凈表面的腐蝕液，或?qū)㈠儗拥腡i-22Al-25Nb合金采用機(jī)械拋光至表面光亮，即可得到覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蝕液由HF、H₂O₂和H₂O按照體積比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

本實(shí)施方式步驟一中先采用丙酮清再采用酒精是為了去除合金表面的油漬等臟物；保證合金在受熱過程中受熱均勻，表面質(zhì)量均已，同時(shí)防止污漬氧化燃燒影響加熱爐及合金板材。

本實(shí)施方式步驟二中的熱處理使合金件充分受熱，組織轉(zhuǎn)變充分。在合金表面會形成一層富α₂相層，富α₂相的厚度由熱處理的溫度及保溫時(shí)間決定。熱處理后取出進(jìn)行水淬，以保留這層富α₂相層。保溫溫度越高，保溫時(shí)間越長則富α₂相層的厚度越厚，一般富α₂相層最厚能達(dá)到100μm左右。但是隨著保溫時(shí)間的增長，最外層的氧化皮的厚度也隨著增長，氧化皮對合金的表面質(zhì)量是有害的，所以一般保溫時(shí)間控制在15min～30min之間。

本實(shí)施方式步驟二所述氧化層由大量的Al₂O₃及TiO₂構(gòu)成。這層氧化層對合金的表面性能有較大的損害，所以要去除這層表面氧化層。步驟三中通過浸泡，使得合金表面的黑色的氧化皮會發(fā)生脫落，露出光亮的內(nèi)層富α₂相層，之后用水清洗表面將腐蝕液沖刷干凈，再用酒精清洗一遍即可。而機(jī)械拋光可以采用銑床或者車床將合金表面的氧化皮去除，去除厚度為20μm左右，需要注意的是采用機(jī)械拋光過程中一定要控制好去除量，否則將對富α₂相層造成影響。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中熱處理溫度為800℃。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：步驟二中熱處理溫度為900℃。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：步驟二中熱處理溫度為950℃。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：步驟二中熱處理溫度為1000℃。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：步驟二中熱處理溫度為1100℃。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是：步驟二中熱處理時(shí)間為20min。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是：步驟二中熱處理時(shí)間為25min。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同的是：步驟三中機(jī)械拋光的表面切除量為20μm。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至八之一相同。

用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例一：一種Ti-22Al-25Nb合金表面自生成高強(qiáng)耐磨層的方法按以下步驟進(jìn)行：

一、表面清理：將Ti-22Al-25Nb合金表面先采用丙酮清洗1～3次，再采用酒精清洗1～3次，得到表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金；

二、熱處理：將表面潔凈的Ti-22Al-25Nb合金放入熱處理爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為1200℃，熱處理時(shí)間為15min，熱處理完成后取出進(jìn)行水淬，得到鍍層的Ti-22Al-25Nb合金；所述鍍層的Ti-22Al-25Nb合金的表面由外向內(nèi)依次覆有氧化層和富α₂相層，所述氧化層的厚度為7μm，所述富α₂相層的厚度為80μm；

三、表面處理：將鍍層的Ti-22Al-25Nb合金置于腐蝕液中浸泡至表面光亮后取出，洗凈表面的腐蝕液，即可得到覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金；所述腐蝕液由HF、H₂O₂和H₂O按照體積比HF:H₂O₂:H₂O＝1:5:100混合而成的。

實(shí)施例二：本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于：步驟二中熱處理溫度為960℃，熱處理時(shí)間為30min；所述氧化層的厚度為5μm，所述富α₂相層的厚度為50μm。其他與實(shí)施例一相同。

圖1為實(shí)施例一中未做處理的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖，從圖中可以看出合金表面沒有任何析出相層，為均一的B2相基體。

圖2為實(shí)施例一得到的覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖，從圖中可以看出經(jīng)過熱處理后合金表面產(chǎn)生了一層富α₂相層，α₂相呈現(xiàn)顆粒及長條狀，α₂相為密排六方結(jié)構(gòu)，本身強(qiáng)度高，耐磨性好，是合金的主要強(qiáng)化相，當(dāng)其在表面大量富集時(shí)，就相當(dāng)于在表面形成了一層膜，使得合金的表面性能大為改善。

圖3為實(shí)施例二得到的覆有富α₂相層的Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織圖，從圖中可以看出富α₂相層中的α₂相主要以顆粒形式存在。