一种高效制备钛硼层状复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种高效制备钛硼层状复合材料的方法，属于钛硼层状复合材料技术领域。本发明专利技术在渗箱内壁设置相对的平行电极，平行电极外接交流电源；在渗箱内加入渗硼剂，再将预处理的钛或钛合金放置在平行电极之间且与电极平行，然后匀速加热至温度为600~900℃，通入交流电进行恒温渗硼处理5~20h，取出冷却至室温，再置于温度为90~100℃的热水中煮3~5min去除表面残留的渗硼剂和杂质即得钛硼层状复合材料。本发明专利技术方法与传统粉末法渗硼相比，在采用相同渗硼剂的条件下，获得同等渗硼层厚度所需的时间和温度都大幅降低，渗硼速率提高1~3倍，既可减少能耗和降低生产成本，又能有效地提升渗硼剂的利用率。

An Efficient Method for Preparing Ti-B Laminated Composites

【技术实现步骤摘要】
一种高效制备钛硼层状复合材料的方法
本专利技术涉及一种高效制备钛硼层状复合材料的方法，属于钛硼层状复合材料

技术介绍
固体粉末法渗硼（简称粉末法渗硼）将硼元素渗入金属材料表层，形成具有很高硬度和耐磨性及一定的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力的渗硼层，从而能够提高许多在摩擦、磨损及高温氧化环境下使用的金属零部件的使用寿命，是目前应用最广泛的一种渗硼方法。目前的固体粉末法渗硼中的活性硼原子的产生是由高温作用下渗硼剂发生热分解、相互反应而来，其浓度随渗硼温度的升高而增大。采用传统的粉末法渗硼，为获得更厚的渗硼层，需要采用高温和延长时间保温的方法，这种方法存在耗时长、能耗高等不足之处。另外，活性硼原子浓度随渗硼剂中供硼剂含量、催渗剂含量的增加而增大。所以为了获得更厚的渗硼层，会选用高比例的供硼剂、添加催渗剂的措施，但在渗硼过程中，仅有部分被利用。因此，传统粉末法渗硼还存在渗硼剂利用率低的缺点。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种高效制备钛硼层状复合材料的方法，本专利技术通过在纯钛及钛合金粉末法渗硼过程中引入交流电场，交流电流流经具有电阻的渗硼剂时会发热，使得渗硼剂温度升高，促进渗硼剂之间的化学反应，释放更多的活性硼原子或含硼原子基团，从而提高渗箱内的硼势，大幅度提升渗硼剂的利用率；交流电场的热作用提供额外的能量，能够加速渗硼剂中各种粒子（活性硼原子和含硼原子基团）的无规则运动，加大扩散速度，同时交流电场的电磁作用会促进纯钛及钛合金内空位的形成，为活性硼原子和含硼原子基团的扩散提供了更多的通道，从而促进渗硼层的形成，达到节省渗硼时间和降低能耗的效果。一种高效制备钛硼层状复合材料的方法，具体步骤如下：（1）在渗箱内壁设置相对的平行电极，平行电极外接交流电源；（2）在渗箱内加入渗硼剂，再将预处理的钛或钛合金放置在步骤（1）的平行电极之间且与电极平行，然后匀速加热至温度为600~900℃，通入交流电进行恒温渗硼处理5~20h，取出冷却至室温，再置于温度为90~100℃的热水中煮3~5min去除表面残留的渗硼剂和杂质即得钛硼层状复合材料。所述交流电源为0~220V。所述步骤（2）中渗硼剂包括供硼剂、还原剂和活化剂。进一步地，以质量分数计，所述渗硼剂中供硼剂占70~80%、还原剂占8~12%，其余为活化剂。进一步地，所述供硼剂为碳化硼和无水硼砂，碳化硼和无水硼砂的质量比为1:(6.5~7.5)。进一步地，所述还原剂为铝粉。进一步地，所述活化剂为氯化钠。所述钛硼层状复合材料的渗硼层由表层TiB2和次表层TiB晶须构成双层渗硼层结构，渗硼层厚度为35~68μm。所述步骤（2）预处理的步骤包括（1）采用洗油剂对待渗件（钛或钛合金）进行表面清洗除油；（2）依次采用不同目数的砂纸对步骤（1）除油的待渗件（钛或钛合金）进行打磨，其中砂纸的目数依次从低到高。进一步地，所述砂纸为400目、600目、800目、1000目、1200目、1500目和2000目。所述活化剂可增加熔融渗硼剂的流动性；所述渗硼剂通过球磨混匀。所述钛或钛合金采用本专利技术方法进行渗硼处理后形成的TiB2+TiB硼化物层具有更高的硬度和更好的耐磨性，Ti与B形成的TiB2硼化物既具有陶瓷材料的高熔点、高硬度，又具有金属的高导电、高导热；硼化物TiB可作为钛基复合材料的增强体，TiB2、TiB和Ti的热膨胀系数分别为8.1×10-6/ºC、8.5×10-6/ºC和8.4×10-6/ºC，热膨胀系数十分接近，减弱了金属与陶瓷热膨胀系数的不匹配，使硼化物层与钛基体的残余应力降低，断裂韧性增加。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术通过在纯钛及钛合金粉末法渗硼过程中引入交流电场，交流电流流经具有电阻的渗硼剂时会发热，使得渗硼剂温度升高，促进渗硼剂之间的化学反应，释放更多的活性硼原子或含硼原子基团，从而提高渗箱内的硼势，大幅度提升渗硼剂的利用率；交流电场的热作用提供额外的能量，能够加速渗硼剂中各种粒子（活性硼原子和含硼原子基团）的无规则运动，加大扩散速度，同时交流电场的电磁作用会促进纯钛及钛合金内空位的形成，为活性硼原子和含硼原子基团的扩散提供了更多的通道，从而促进渗硼层的形成，达到节省渗硼时间和降低能耗的效果；（2）本专利技术可高效获得厚度为35~68μm的TiB2和TiB双层渗硼层，与传统固体粉末法相比，获得同等渗硼层厚度所需温度和时间均大幅度降低，渗硼速度提升两倍以上，渗硼剂的利用率也明显提高，大大降低能耗与生产成本，提升生产效率；（3）本专利技术的钛硼层状复合材料还具有高硬度、良好的耐磨损性能、优异的耐腐蚀性等特点。附图说明图1为实施例的渗硼装置示意图；其中，1-待渗件、2-待渗件、3-待渗件、4-待渗件、5-待渗件、6-待渗件、7-待渗件、8-渗箱盖、9-耐火泥密封、10-渗箱、11-电极、12-可调交流电源、13-引线、14-电极、15-粉末渗硼剂；图2为实施例1钛硼层状复合材料的扫描电镜微观组织图；图3为实施例1钛硼层状复合材料的显微组织扫描电镜图；图4为实施例2钛硼层状复合材料的扫描电镜微观组织图；图5为实施例2钛硼层状复合材料的显微组织扫描电镜图；图6为实施例3钛硼层状复合材料的扫描电镜微观组织图；图7为实施例3钛硼层状复合材料的显微组织扫描电镜图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。如图1所示，1~5号待渗件（钛或钛合金）设置在两电极板之间，待渗件间距为10mm，其中1号待渗件贴放在负极上，5号待渗件贴放在正极上；6号待渗件距两电极板水平连线的垂直距离为10mm；7号待渗件紧贴渗罐壁；1~7号待渗件厚度均为5mm。实施例1：本实施例待渗件为TA2工业纯钛基体；一种高效制备钛硼层状复合材料的方法，具体步骤如下：（1）在渗箱内壁设置相对的平行电极，平行电极外接交流电源；其中交流电源为0~220V；（2）在渗箱内加入渗硼剂，再将预处理的纯钛放置在步骤（1）的平行电极之间且与电极平行，然后匀速加热至温度为800℃，通入交流电进行恒温渗硼处理10h，取出冷却至室温，再置于温度为90℃的热水中煮3min去除表面残留的渗硼剂和杂质即得钛硼层状复合材料；其中渗硼剂包括供硼剂、还原剂和活化剂；以质量分数计，所述渗硼剂中供硼剂占80%、还原剂占8%，其余为活化剂，供硼剂为碳化硼和无水硼砂，碳化硼和无水硼砂的质量比为1:7，还原剂为铝粉，活化剂为氯化钠；预处理的处理流程为：表面除油→去离子水清洗→砂纸打磨→丙酮清洗→去离子水超声清洗→密封于无水乙醇中待用；微观组织特征：对本实施例的层状复合材料进行表面处理（打磨、抛光、金相腐蚀），采用钨灯丝扫描电镜观察分析试样的微观组织特征（见图2），合金组织分布均匀，各相的界面状况良好；本实施例的钛硼层状复合材料的显微组织扫描电镜图如图3所示，渗硼层厚度为35~49μm。实施例2：本实施例待渗件为TB2钛合金基体；一种高效制备钛硼层状复合材料的方法，具体步骤如下：（1）在渗箱内壁设置相对的平行电极，平行电极外接交流电源；其中交流电源为0~220V；（2）在渗箱内加入渗硼剂，再将预处理的钛合金放置在步骤（1）的平行电极之间且与电极平行，然后匀速加热至温度为750℃，通入交流电进行恒温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效制备钛硼层状复合材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）在渗箱内壁设置相对的平行电极，平行电极外接交流电源；（2）在渗箱内加入渗硼剂，再将预处理的钛或钛合金放置在步骤（1）的平行电极之间且与电极平行，然后匀速加热至温度为600~900℃，通入交流电进行恒温渗硼处理5~20h，取出冷却至室温，再置于温度为 90~ 100℃的热水中煮3~5min即得钛硼层状复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种高效制备钛硼层状复合材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）在渗箱内壁设置相对的平行电极，平行电极外接交流电源；（2）在渗箱内加入渗硼剂，再将预处理的钛或钛合金放置在步骤（1）的平行电极之间且与电极平行，然后匀速加热至温度为600~900℃，通入交流电进行恒温渗硼处理5~20h，取出冷却至室温，再置于温度为90~100℃的热水中煮3~5min即得钛硼层状复合材料。2.根据权利要求1所述高效制备钛硼层状复合材料的方法，其特征在于：交流电源为0~220V。3.根据权利要求1所述高效制备钛硼层状复合材料的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：段永华，李平，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53