一种用含Si化合物提高钛和钛合金抗氧化性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种用含Si化合物提高钛和钛合金抗氧化性能的方法，属于钛合金材料领域。本发明专利技术通过既简单又高效的工艺方法将多级硅化物复合入钛材表面，借助机械压入法、压入‑激光熔合法和电刷镀法将多级硅化物SiC、Si

A method to improve the oxidation resistance of titanium and titanium alloy with Si containing compounds

【技术实现步骤摘要】
一种用含Si化合物提高钛和钛合金抗氧化性能的方法
本专利技术属于钛合金材料
，具体涉及提高钛及钛合金抗氧化性能的表面处理方法。技术背景钛及钛合金由于比强度高、耐海水腐蚀性强等特性，成为航空航天、海洋工程等领域中最重要的金属结构材料之一。然而，由于钛的化学活性高、高温氧化速度快、抗高温氧化能力不足，钛和钛合金的使用温度通常被限制在600℃以下。高温使钛和钛合金表面不断生成易开裂和剥落的氧化层，导致材料损失和表面缺陷增多，严重限制了钛和钛合金向高温环境的拓展应用。专利1采用激光熔覆和强流脉冲电子束表面处理的复合技术制备了低应力高温抗氧化涂层，涂层材料Al/Ti/TiBCN由3～10wt％高纯铝粉、10～40wt％Ti粉和50～80wt％TiBCN粉末混合干燥所得，需进行多次重熔处理。获得的涂层在1100℃的抗氧化性能优异。专利2采用微弧氧化与硅烷改性粉体相结合的技术制备了具有少量或没有孔隙的黑色抗高温氧化复合涂层。该涂层在750℃氧化50h后的增重比(增加的重量/原始的重量)是0.59％，而没有涂层的钛合金增重比是1.5％。专利3采用微弧氧化技术制备了高耐磨复合陶瓷涂层，涂层材料主要由TiO2-Al2O3和弥散增强相Cr2O3-SiC组成，制备的涂层材料硬度高、耐磨性能好，但对涂层的抗氧化性能没有说明，不能确定该涂层具有显著的抗氧化效果。专利4采用激光熔覆技术制备了耐磨陶瓷复合涂层，熔覆粉末由Ti、Al、Si以及SiC、TiC、BC中的任意一种组成，涂层的耐磨性能好，但是对涂层的氧化效果未进行说明，不能确定该涂层具有显著的抗氧化效果。现有技术文献：专利1：CN110184600A，钛合金表面低应力高温抗氧化涂层的制备方法；专利2：CN103060881A，钛合金表面黑色抗高温氧化涂层制备方法；专利3：CN109137042A，一种钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法；专利4：CN109207996A，一种钛合金表面耐磨陶瓷复合涂层及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能显著提高钛和钛合金抗氧化性能的颗粒表层复合法，其核心思想是将纳米-微米多级硅化物颗粒复合进入钛和钛合金的表层，形成颗粒复合钛层。在氧化过程中，颗粒复合钛层中的颗粒被氧化，释放Si元素进入周围的氧化层，形成纳米级SiO2、纳米/微米级TiO2混合的致密氧化层，显著降低氧原子的扩散速率并缓解热应力，从而显著提高钛及钛合金的高温抗氧化性能。所述方法包括三个步骤：制备纳米-微米多级硅化物→钛和钛合金表面清洗→表层复合。为描述方便，下面将钛和钛合金统称为钛材。步骤1，制备纳米-微米多级硅化物：所述硅化物包括下面至少一种：SiC、Si3W5、Si2W、Ti5Si3、Al4SiC4、MoSi2、NbSi2、Si3N4、BaO3Si、Ca2O4Si、CrSi2、FeSi2和CaSi2。上述13种硅化物的熔点都高于1000℃，其中，SiC的熔点最高，达2700℃。上述硅化物中，前8种的熔点比纯钛的熔点高230℃至1030℃。用机械球磨法将上述硅化物分别研磨至微米级和纳米级颗粒，将上述硅化物和适量的酒精充分混合后一起加入到行星系球磨机的球罐中，然后以200r/min-350r/min的转速运行12h-24h。所述微米级颗粒的粒径范围是1μm至50μm，所述纳米级颗粒的粒径范围是20nm至800nm。为了使硅化物颗粒混合物的致密度可以在10％-98％范围内调整，需要将微米级颗粒和纳米级颗粒混合成纳米-微米多级硅化物，其中微米级颗粒的体积比为1％至99％。步骤2，钛材表面清洗：用50号至2000号砂纸打磨钛材表面，然后用水冲洗其表面并吹干。步骤3，表层复合：将所述纳米-微米多级硅化物复合入钛材表面。本专利技术提出3种方法，包括机械压入法、压入-激光熔合法和电刷镀法。进一步地，所述纳米-微米多级硅化物包含SiC、Si3W5、Si2W、Ti5Si3、Al4SiC4、MoSi2、NbSi2、Si3N4、BaO3Si、Ca2O4Si、CrSi2、FeSi2和CaSi2中的至少一种，所提供的Si元素的质量百分比为8.4％-70.0％，对应的原子百分比为35.9％-82.8％。进一步地，所述机械压入法是借助外力将多级硅化物颗粒压入钛材表面的方法。将多级硅化物颗粒铺展在钛材表面，覆盖住钛材表面5％至99％的表面积。然后向钛材表面施加0.3MPa至1000MPa的压强，将多级硅化物颗粒压入至距离钛材表面20nm至50μm的深度。由于钛材表面硬度较高，与硬质多级硅化物颗粒相接触时，易产生粘着磨损，连续施加很小的力就可以将多级硅化物颗粒压入钛材表面。为了加快压入过程，可辅以超声振动，其参数为振幅5μm-20μm，频率50Hz-100Hz。该方法适用于上述所有硅化物。进一步地，所述机械压入法施加的外力与钛材表面的夹角为5°-90°，减小外力夹角并使钛材表面与施加外力的压头之间产生滑动摩擦，可以显著降低压入多级硅化物颗粒所需的外力。进一步地，所述压入-激光熔合法借助激光的高能量密度将多级硅化物颗粒焊进钛材表面。高能激光束射在纳米级或微米级颗粒上，光压会导致颗粒飞溅，降低颗粒的利用率。因此，先采用如前所述的方法将多级硅化物颗粒压入钛材表面，然后用100W至500W的激光器，在惰性气体或者氮气的保护下，用激光束扫描钛材表面，使钛材表面形成微熔池，将多级硅化物颗粒与钛材表面焊合。由于激光束的作用时间极短，熔点低于钛材的硅化物不会完全熔化，其大部分会保留在钛材表层中。激光束的扫描速度为50mm/s-2000mm/s，光斑直径为50μm-200μm，扫描间距为0.01mm-0.15mm。该方法适用于上述所有硅化物。进一步地，所述电刷镀法借助外加电场利用电解原理将多级硅化物颗粒镀在钛材表面。将多级硅化物加入含有有机络合物的金属盐水溶液的酸性镀液中，把钛材接入专用直流电源的负极，不溶性镀笔接入电源正极，以一定的速度和压力将浸有镀液的镀笔在钛材表面运动，多级硅化物颗粒吸附镀液中的阳离子发生阴级还原反应一起沉积在钛材表面。电源的工作电压为3V-20V，频率为2Hz-50Hz，镀笔运动速度为50mm/s-150mm/s，镀笔作用在工件的压力为20N-160N，电刷镀时间为15min-120min。该方法适用于上述所有硅化物。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.机械压入法在硅化物颗粒周围的钛材基体中引入内应力，在钛材氧化时通过应力诱发氧化物的再结晶，使氧化层变致密，抗氧化性能提高；2.通过硅化物在钛材表层引入热稳定性高的高浓度Si源，在高温氧气作用下形成大量纳米级SiO2，可流动填充钛氧化物间的间隙，阻止氧气侵入；3.提供的制备方法简单、易行、效率高。附图说明图1为本专利技术实施例1中钛材表层硅化物颗粒周围形成的致密纳米级SiO2和纳米/微米级TiO2混合区域的透射电子显微镜照片。具体实施方式为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用含Si化合物提高钛和钛合金抗氧化性能的方法，其特征在于，包括以下顺序进行的处理过程：/n步骤1，制备纳米-微米多级硅化物：所述硅化物包括下面至少一种：SiC、Si

【技术特征摘要】
1.一种用含Si化合物提高钛和钛合金抗氧化性能的方法，其特征在于，包括以下顺序进行的处理过程：
步骤1，制备纳米-微米多级硅化物：所述硅化物包括下面至少一种：SiC、Si3W5、Si2W、Ti5Si3、Al4SiC4、MoSi2、NbSi2、Si3N4、BaO3Si、Ca2O4Si、CrSi2、FeSi2和CaSi2；上述13种硅化物的熔点都高于1000℃，其中，SiC的熔点最高，达2700℃；上述硅化物中的前8种的熔点高于纯钛230℃至1030℃；用机械球磨法将上述硅化物分别研磨至微米级和纳米级颗粒，将上述硅化物和适量的酒精充分混合后一起加入到行星系球磨机的球罐中，然后在转速为200r/min-350r/min下运转12h-24h；所述微米级颗粒的粒径范围是1μm至50μm，所述纳米级颗粒的粒径范围是20nm至800nm；为了使硅化物颗粒混合物的致密度可以在10％-98％范围内调整，需要将微米级颗粒和纳米级颗粒混合成纳米-微米多级硅化物，其中微米级颗粒的体积比为1％至99％；
步骤2，钛材表面清洗：用50号至2000号砂纸打磨钛材表面，然后用水冲洗其表面并吹干；
步骤3，表层复合：将所述纳米-微米多级硅化物复合入钛材表面，采用3种方法，包括机械压入法、压入-激光熔合法和电刷镀法。


2.根据权利要求1所述的一种用含Si化合物提高钛和钛合金抗氧化性能的方法，其特征是所述纳米-微米多级硅化物包含SiC、Si3W5、Si2W、Ti5Si3、Al4SiC4、MoS...

【专利技术属性】
技术研发人员：石章智，李猛，许俊益，刘雪峰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11