專利名稱：一種鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面滲碳方法，特別是涉及一種應(yīng)用于鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳處理方法。
背景技術(shù)：
TiAl基金屬間化合物由于其自身的原子長程有序排列和特殊的鍵合方式，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)合金材料截然不同的優(yōu)異的力學(xué)性能。但是其在室溫下的拉伸塑性和斷裂韌性較低，這是因?yàn)樵诮饘匍g化合物的長程有序結(jié)構(gòu)中，可開動(dòng)的滑移系數(shù)目有限，超結(jié)構(gòu)位錯(cuò)柏氏矢量大，位錯(cuò)交滑移困難。因此，不同于傳統(tǒng)合金材料，TiAl基合金在常溫下主要以機(jī)械孿晶變形為主，而且Al含量越低，孿生在變形中的作用越明顯，只有在提高變形溫度后，受熱激活的作用，各種位錯(cuò)的可動(dòng)性得以提高，才能表現(xiàn)出一定的高溫塑性。而且，大部分的失效過程發(fā)生在材料表面，包括疲勞斷裂、侵蝕疲勞、磨損和腐蝕等等，這些失效過程都對材料表面層的結(jié)構(gòu)和性能十分敏感。因此，有效地改善TiAl基合金的表面結(jié)構(gòu)將有助于優(yōu)化其服役性能、促進(jìn)其工業(yè)化、市場化應(yīng)用并有效發(fā)揮這種材料的優(yōu)異性能。表面滲碳是一種傳統(tǒng)的提高材料表面應(yīng)用性能的化學(xué)熱處理技術(shù)，方法簡單，處理效果優(yōu)良，廣泛用于金屬材料的生產(chǎn)應(yīng)用方面。碳是對TiAl基合金耐磨性及抗高溫氧化性均產(chǎn)生有益作用的元素之一。在TiAl基合金表面形成碳化物等合金層是提高耐磨性的最簡單和有效的途徑。本實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)90年代就開展了利用滲碳法在TiAl基合金表面形成碳化物層以提高其抗高溫氧化性和耐磨性的研究工作。表面滲碳是一種非常穩(wěn)定的滲碳過程，在適當(dāng)?shù)臏囟?1191、123；31(或12731()對TiAl基合金進(jìn)行表面滲碳，可得到一層均勻的滲碳層。近年來，太原理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、長安大學(xué)、北京科技大學(xué)等高校也就 TiAl基合金的表面滲碳(碳氮共滲、鈮碳共滲等)開展了一些有意義的探索性研究，并在其高溫抗氧化和耐磨損等性能的改良方面取得一定的成果。但是對于TiAl基合金的滲碳處理所需要的條件較為苛刻，因溫度較高、處理時(shí)間較長，而大大增加了生產(chǎn)成本，急需一種簡便的方法來解決這個(gè)難題。由盧柯和呂堅(jiān)等學(xué)者提出的表面納米化技術(shù)被認(rèn)為是今后一段時(shí)間可將納米材料應(yīng)用于工程實(shí)際的重要技術(shù)之一。該技術(shù)是在直接與環(huán)境接觸的材料表面制備出一定厚度的與基體材質(zhì)相同但具有納米晶體結(jié)構(gòu)的表面層，從而提高工程材料的抗疲勞、耐腐蝕、 耐摩擦磨損等性能。將表面納米化和表面滲碳處理方法相結(jié)合，可能是克服以上不利因素甚至改善傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)的一個(gè)重要途徑，同時(shí)有可能獲得更加優(yōu)異的材料表層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種有效改善TiAl基合金的表面結(jié)構(gòu)，提高其疲勞抗性、耐磨耐腐蝕性能的成本低、效率高的鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法，包括如下步驟(1)、采用常規(guī)設(shè)備和方法對TiAl基合金表面進(jìn)行表面納米化；(2)、對表面納米化后TiAl基合金進(jìn)行500°C 800°C低溫滲碳，在樣品表面制備出4 9um厚的滲碳層。上述步驟(1)中TiAl基合金表面納米化的方法是步驟如下(1)、將鈦鋁基金屬間化合物材料線切割為樣品；(2)、對樣品表面進(jìn)行清洗，然后烘干；(3)、將樣品放入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行表面納米化處理，使用轉(zhuǎn)速范圍為200轉(zhuǎn)/ 分 350轉(zhuǎn)/分，使用耐磨鋼球尺寸范圍為5mm 12mm，使用球料質(zhì)量比范圍為10 1 40 1，球磨時(shí)間范圍為6小時(shí) M小時(shí)。采用上述技術(shù)方案的鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法，TiAl基合金表面納米化后由于表面納米晶之間所形成的高體積分?jǐn)?shù)的晶界、高密度的位錯(cuò)空位以及參與的壓應(yīng)力場為元素?cái)U(kuò)散提供了理想的通道，增加處理表面的“活化中心”，從而降低固體滲碳的溫度、加快滲碳速率及提高滲層深度和濃度，有效改善TiAl基合金固體滲碳的效果，提高其使用性能。本發(fā)明有效改善TiAl基合金的表面結(jié)構(gòu)，提高其疲勞抗性、耐磨耐腐蝕性能，是一種成本低、效率高的滲碳處理方法，通過預(yù)先對TiAl基合金實(shí)施表面納米改性，實(shí)現(xiàn)低溫、快速、滲層更深更濃的滲碳處理。本發(fā)明的有益效果是有效降低滲碳溫度，保護(hù)滲碳裝置，節(jié)能環(huán)保。綜上所述，本發(fā)明是一種有效改善TiAl基合金的表面結(jié)構(gòu)，提高其疲勞抗性、耐磨耐腐蝕性能的成本低、效率高的鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法。


圖1是表面納米化處理與滲碳處理的流程圖。圖2是滲碳處理試樣表面納米化前的縱剖面組織形貌照片。圖3是滲碳處理試樣表面納米化后的第一種縱剖面組織形貌照片。圖4是滲碳處理試樣表面納米化后的第二種縱剖面組織形貌照片。圖5是滲碳處理試樣表面納米化后的第三種縱剖面組織形貌照片。圖6是表面納米化條件下經(jīng)過滲碳處理的試樣的表面硬度值。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。參見圖1，本發(fā)明提供的鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法，包括如下步驟(1)、采用常規(guī)設(shè)備和方法對TiAl基合金表面進(jìn)行表面納米化；(2)、對表面納米化后TiAl基合金進(jìn)行500°C 800°C低溫滲碳，在樣品表面制備出4 9um厚的滲碳層。對比例1
(1)、對TiAl基合金進(jìn)行固體滲碳；(1. 1)、將TiAl基合金材料樣品線切割為IOmmX IOmmX IOmm的樣品；(1. 2)、使用超聲波清洗樣品表面，然后放入烘干機(jī)內(nèi)55度保溫2個(gè)小時(shí)取出；(1.3)對未進(jìn)行表面納米化的TiAl基合金進(jìn)行900°C滲碳，在樣品表面制備出 1. 5um厚的滲碳層。參見圖2，圖2、圖3、圖4和圖5中1表示基體，2表示滲碳層。實(shí)施例1 (1)、對TiAl基合金表面進(jìn)行表面納米化；(1. 1)、將TiAl基合金材料樣品線切割為8mmX8mmX8mm的樣品；(1. 2)、使用超聲波清洗樣品表面，然后放入烘干機(jī)內(nèi)60度保溫2. 5個(gè)小時(shí)取出；(1. 3)、將樣品放入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行表面納米化處理，使用轉(zhuǎn)速范圍為200轉(zhuǎn)/ 分，使用耐磨鋼球尺寸范圍為12mm，使用球料質(zhì)量比范圍為10 1，球磨時(shí)間范圍為6小時(shí)；(2)、對表面納米化后TiAl基合金進(jìn)行800°C低溫滲碳，在樣品表面制備出4um厚的滲碳層。參見圖3、圖4和圖5，TiAl基合金表面納米化后由于表面納米晶之間所形成的高體積分?jǐn)?shù)的晶界、高密度的位錯(cuò)空位以及參與的壓應(yīng)力場為元素?cái)U(kuò)散提供了理想的通道， 增加處理表面的“活化中心”，從而降低固體滲碳的溫度、加快滲碳速率及提高滲層深度和濃度，有效改善TiAl基合金固體滲碳的效果，提高其使用性能。Ti實(shí)施例2 (1)、對TiAl基合金表面進(jìn)行表面納米化；(1. 1)、將鈦鋁基金屬間化合物材料樣品線切割為IOmmX IOmmX IOm的樣品；(1. 2)、使用超聲波清洗樣品表面，然后放入烘干機(jī)內(nèi)65度保溫3個(gè)小時(shí)取出；(1. 3)、將樣品放入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行表面納米化處理，使用轉(zhuǎn)速范圍為350轉(zhuǎn)/ 分，使用耐磨鋼球尺寸范圍為6mm，使用球料質(zhì)量比范圍為20 1，球磨時(shí)間范圍為18小時(shí)；(2)、對表面納米化后TiAl基合金進(jìn)行600°C低溫滲碳，在樣品表面制備出4. 5um 厚的滲碳層。實(shí)施例3 (1)、對TiAl基合金表面進(jìn)行表面納米化；(1. 1)、將鈦鋁基金屬間化合物材料樣品線切割為12mmX 12mmX 12m的樣品；(1. 2)、使用超聲波清洗樣品表面，然后放入烘干機(jī)內(nèi)65度保溫4個(gè)小時(shí)取出；(1. 3)、將樣品放入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行表面納米化處理，使用轉(zhuǎn)速范圍為350轉(zhuǎn)/ 分，使用耐磨鋼球尺寸范圍為5mm，使用球料質(zhì)量比范圍為40 1，球磨時(shí)間范圍為對小時(shí)；(2)、對表面納米化后TiAl基合金進(jìn)行500°C低溫滲碳，在樣品表面制備出9um厚的滲碳層。
權(quán)利要求
1.一種鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法，其特征是包括如下步驟(1)、采用常規(guī)設(shè)備和方法對TiAl基合金表面進(jìn)行表面納米化；(2)、對表面納米化后TiAl基合金進(jìn)行5000C 800 °C低溫滲碳，在樣品表面制備出 4 9um厚的滲碳層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法，其特征是 上述步驟(1)中TiAl基合金表面納米化的方法是步驟如下(1)、將鈦鋁基金屬間化合物材料線切割為樣品； O)、對樣品表面進(jìn)行清洗，然后烘干；(3)、將樣品放入高能球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行表面納米化處理，使用轉(zhuǎn)速范圍為200轉(zhuǎn)/分 350 轉(zhuǎn)/分，使用耐磨鋼球尺寸范圍為5mm 12mm，使用球料質(zhì)量比范圍為10 1 40 1， 球磨時(shí)間范圍為6小時(shí) M小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法，包括如下步驟(1)、采用常規(guī)設(shè)備和方法對TiAl基合金表面進(jìn)行表面納米化；(2)、對表面納米化后TiAl基合金進(jìn)行500℃～800℃低溫滲碳，在樣品表面制備出4～9um厚的滲碳層。本發(fā)明是一種有效改善TiAl基合金的表面結(jié)構(gòu)，提高其疲勞抗性、耐磨耐腐蝕性能的成本低、效率高的鈦鋁基金屬間化合物材料的低溫表面滲碳方法。
文檔編號C23C8/02GK102409282SQ20111036040
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者劉詠, 張偉, 張明陽, 王滴泥 申請人:中南大學(xué)