專利名稱：一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含高含量β相穩(wěn)定元素TiAl基合金的表面處理方法。
背景技術(shù)：
TiAl金屬間化合物(以下簡稱TiAl基合金)具有低密度、高比強度、高比剛度、高彈性模量、耐腐蝕和高溫抗蠕變性好等優(yōu)點，成為航空航天、工業(yè)燃氣輪機以及汽車工業(yè)中最具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。TiAl基合金特別適于制造那些慣性大、在高溫條件工作的零部件，其部件在大多數(shù)工作狀態(tài)下，有高溫高速氣流流過，異物沖擊或高溫摩擦，高溫下受強烈的氧化和磨損。因此，TiAl基合金在高溫下的抗氧化和耐磨性的好壞是決定工作部件壽命的關(guān)鍵因素之一。隨著TiAL基合金各種強韌化措施研究的不斷深入，室溫脆性等阻礙TiAL基合金實用化問題的逐步改善，TiAl基合金耐磨性差及700℃以上抗高溫氧化性差便成為急待解決的關(guān)鍵性問題。工件的磨損和氧化總是從表面開始的，表面的失效往往會導(dǎo)致整個零件的損壞。因此，對TiAl基合金部件進行表面改質(zhì)改性的處理方法，對其耐磨及高溫氧化性能的提高具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決已有TiAl基合金耐磨性差及700℃以上抗高溫氧化性差的問題，提供一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低，處理后的TiAl基合金材料或構(gòu)件表面的高溫抗氧化性、硬度以及耐磨性都得到顯著提高的特點。本發(fā)明的方法是將含高含量β相穩(wěn)定元素的TiAl基合金放入到以石墨或含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中或放入到以非石墨或非含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中，在以非石墨或非含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中加入0.001～20000g的石墨粉、碳粉、含碳的單質(zhì)或含碳化合物進行熱等靜壓表面處理，表面處理過程中采用氬氣或其它惰性氣體作為保護氣體，邊升溫邊充入氬氣，到達表面處理的溫度和壓力后，進行保溫，到達保溫時間后隨坩堝自然冷卻至室溫即可；熱等靜壓表面處理的溫度為800～1500℃，熱等靜壓表面處理的壓力為1～300MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為1分鐘至20小時。所述TiAl基合金中Ti含量為20-80at.％，Al含量為20-60at.％。所述升溫速度為每分鐘＞1℃。所述含高含量β相穩(wěn)定元素的TiAl基合金為TiAl基合金中β相穩(wěn)定元素的原子百分比為2～15at％。所述TiAl基合金中的β相穩(wěn)定元素為Nb、V、Mo、Ta、Ni、Cr、Mn、Fe、Co、Cu或Si。經(jīng)過本發(fā)明方法處理后的試樣，表面呈現(xiàn)出黑色，用砂紙拋光或噴沙、噴丸拋光后，可以去除表面的黑色含碳層(材料使用時也可以不去除黑色含碳層，有利于提高高溫抗氧化性)。去除黑色層后，試樣表面呈金屬光澤，這時的表層晶粒，通過金相觀察，可以發(fā)現(xiàn)都轉(zhuǎn)變成全層片組織(表層晶粒以下的內(nèi)部組織仍然為含β相顯微組織)。與未經(jīng)過表面處理的表面或材料基體相比，這層全層片組織晶團的硬度、耐磨性以及高溫抗氧化性(600℃-1000℃)都得到顯著的提高。本發(fā)明是利用TiAl基合金必須的熱加工方法(熱等靜壓)進行加工處理的，具有成本低、實現(xiàn)起來容易、不增加額外設(shè)備的投入、容易批量加工的優(yōu)點。


圖1是具體實施方式
六的TiAl基合金熱等靜壓表面處理工藝曲線圖，圖2是具體實施方式
六中處理前表層顯微組織形貌圖，圖3是具體實施方式
六中處理后表層顯微組織形貌圖，圖4是具體實施方式
七的TiAl基合金熱等靜壓表面處理工藝曲線圖，圖5是具體實施方式
七中處理前表層顯微組織形貌圖，圖6是具體實施方式
七中處理后表層顯微組織形貌圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的方法是將含高含量β相穩(wěn)定元素的TiAl基合金放入到以石墨或含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中或放入到以非石墨或非含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中，在以非石墨或非含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中加入0.001～20000g的石墨粉、碳粉、含碳的單質(zhì)或含碳化合物進行熱等靜壓表面處理，表面處理過程中采用氬氣或其它惰性氣體作為保護氣體，邊升溫邊充入氬氣，到達表面處理的溫度和壓力后，進行保溫，到達保溫時間后隨坩堝自然冷卻至室溫即可；熱等靜壓表面處理的溫度為800～1500℃，熱等靜壓表面處理的壓力為1～300MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為1分鐘至20小時。所述TiAl基合金中Ti含量為20-80at.％，Al含量為20-60at.％。所述升溫速度為每分鐘＞1℃。所述含高含量β相穩(wěn)定元素的TiAl基合金為TiAl基合金中β相穩(wěn)定元素的原子百分比為2～15at％。所述TiAl基合金中的β相穩(wěn)定元素為Nb、V、Mo、Ta、Ni、Cr、Mn、Fe、Co、Cu或Si。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于，具體實施方式
一中在以石墨或含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中不加入石墨粉、碳粉、含碳的單質(zhì)或含碳化合物，本實施方式為了更好的進行表面處理在以石墨或含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中加入0.0001～10000g的石墨粉、碳粉、含碳的單質(zhì)或含碳化合物進行熱等靜壓表面處理。其它方法與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式的熱等靜壓表面處理的溫度為810～1430℃，熱等靜壓表面處理的壓力為5～290MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為10分鐘至19小時。其它方法與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式的熱等靜壓表面處理的溫度為860～1400℃，熱等靜壓表面處理的壓力為10～270MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為30分鐘至18小時。其它方法與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式的熱等靜壓表面處理的溫度為1100℃，熱等靜壓表面處理的壓力為100MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為5小時。其它方法與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六(參見圖1～圖3)本實施方式的方法是取一塊方形(40mm×40mm×40mm)的Ti-40Al-9V-0.3Y合金試樣，放入到熱源為石墨材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中，不另外加入石墨粉或碳粉或者其他含碳的單質(zhì)及含碳的化合物，進行熱等靜壓表面處理。實驗過程中采用氬氣作為保護氣體，邊升溫邊充氬氣直至170MPa，然后開始在1250℃條件下保溫，保溫3小時后隨坩堝緩冷至室溫即可。表面處理完成后，通過砂紙磨去表面的黑色層，再進行拋光，通過金相顯微鏡觀察表面表層顯微組織。處理前后表層顯微組織的形貌如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，含高含量β相穩(wěn)定元素TiAl基合金表面層晶團的顯微組織發(fā)生顯著的變化，由典型的含β相顯微組織轉(zhuǎn)變成全層片組織。通過性能測試表明，與未經(jīng)過表面處理的表面或材料基體相比，這層全層片組織晶團的硬度、耐磨性以及700℃高溫抗氧化性都得到顯著的提高。
具體實施方式
七(參見圖4～圖6)本實施方式的方法是取一塊圓柱狀(直徑φ50mm×100mm)的Ti-40Al-9Nb合金試樣，放入到熱等靜壓設(shè)備的坩堝中，在坩堝中加入5g的石墨粉，進行熱等靜壓表面處理。實驗過程中采用氬氣作為保護氣體，邊升溫邊充氬氣直至200MPa，然后開始在1270℃下保溫，保溫4小時后隨坩堝緩冷至室溫即可。表面處理完成后，通過砂紙磨去表面的黑色層，再進行拋光，通過金相顯微鏡觀察表面表層顯微組織。處理前后表層顯微組織的形貌如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，含高含量β相穩(wěn)定元素TiAL基合金表面層晶團的顯微組織發(fā)生顯著的變化，由典型的含β相顯微組織轉(zhuǎn)變成全層片組織。通過性能測試表明，與未經(jīng)過表面處理的表面或材料基體相比，這層全層片組織晶團的硬度、耐磨性以及900℃高溫抗氧化性都得到顯著的提高。
權(quán)利要求
1.一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，其特征在于將含高含量β相穩(wěn)定元素的TiAl基合金放入到以石墨或含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中或放入到以非石墨或非含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中，在以非石墨或非含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中加入0.001～20000g的石墨粉、碳粉、含碳的單質(zhì)或碳化合物進行熱等靜壓表面處理，表面處理過程中采用氬氣作為保護氣體，邊升溫邊充入氬氣，到達表面處理的溫度和壓力后，進行保溫，到達保溫時間后隨坩堝自然冷卻至室溫即可；熱等靜壓表面處理的溫度為800～1500℃，熱等靜壓表面處理的壓力為1～300MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為1分鐘至20小時。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，其特征在于在以石墨或含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中加入0.0001～10000g的石墨粉、碳粉、含碳的單質(zhì)或含碳化合物進行熱等靜壓表面處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，其特征在于所述TiAl基合金中Ti含量為20-80at.％，Al含量為20-60at.％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，其特征在于所述含高含量β相穩(wěn)定元素的TiAl基合金為TiAl基合金中β相穩(wěn)定元素的原子百分比為2～15at％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，其特征在于所述TiAl基合金中的β相穩(wěn)定元素為Nb、V、Mo、Ta、Ni、Cr、Mn、Fe、Co、Cu或Si。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，其特征在于熱等靜壓表面處理的溫度為810～1430℃，熱等靜壓表面處理的壓力為5～290MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為10分鐘至19小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，其特征在于熱等靜壓表面處理的溫度為860～1400℃，熱等靜壓表面處理的壓力為10～270MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為30分鐘至18小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，其特征在于熱等靜壓表面處理的溫度為1100℃，熱等靜壓表面處理的壓力為100MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為5小時。
全文摘要
一種改善TiAl基合金表面性能的表面處理方法，它涉及一種含高含量β相穩(wěn)定元素TiAl基合金的表面處理方法。本發(fā)明將含高含量β相穩(wěn)定元素的TiAl基合金放入到以石墨或含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中或放入到以非石墨或非含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中，在以非石墨或非含碳材料為熱源材質(zhì)的熱等靜壓設(shè)備的坩堝中加入0.001～20000g的石墨粉、碳粉、含碳的單質(zhì)或含碳化合物進行熱等靜壓表面處理，熱等靜壓表面處理的溫度為800～1500℃，熱等靜壓表面處理的壓力為1～300MPa，熱等靜壓表面處理的保溫時間為1分鐘至20小時。本發(fā)明利用TiAl基合金必須的熱加工方法進行加工處理，具有成本低、實現(xiàn)起來容易、不增加額外設(shè)備的投入的優(yōu)點。
文檔編號C22C14/00GK1676658SQ20051000990
公開日2005年10月5日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月19日
發(fā)明者孔凡濤, 陳玉勇, 韓杰才 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)