一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法技术

本发明专利技术涉及合金材料表面处理领域，尤其涉及一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法。所述方法包括以下步骤：以含有卤素元素的的卤素盐配制盐溶液，将钛基合金置于盐溶液中，置于密封反应器中进行至少一次水热处理，最后冷却并清洗、干燥即可。本发明专利技术方法能够有效提高钛基合金的抗高温氧化性能；能够避免钛基合金力学性能下降的问题发生；处理方法简洁高效，操作难度更低、成本更低、对设备的需求也更低，同时处理效率更高，更加适用于工业化生产。

A method of improving high temperature oxidation resistance of titanium base alloy by hydrothermal treatment

【技术实现步骤摘要】
一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法
本专利技术涉及合金材料表面处理领域，尤其涉及一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法。
技术介绍
TiAl基金属间化合物合金(简称TiAl合金)，具有密度低(为目前广泛使用Ni基合金的50％)、同时比强度和比刚度高且高温蠕变性能较好等特点。可广泛应用于汽车或航空发动机的高温部件，如：压气机叶片、排气阀和增压涡轮等，特别是在航空高温结构材料方面，TiAl基合金是替代镍基高温合金的理想材料，被认为是极具应用前景的新型轻质高温结构材料之一。然而，当TiAl合金使用温度超过750℃时，TiAl合金抗高温氧化性能迅速恶化，由于在更高温度下，钛和铝与氧的亲和能力非常接近，合金表面形成的是TiO2和Al2O3混合层，氧化膜的生长速率很快，容易发生剥落。这严重影响了合金的使用性能。为克服以上不足，国内外学者采用了合金化、离子注入法、表面涂层和阳极氧化等方法改性来提高钛铝合金的服役温度。合金设计主要包括两个方面，一是提高TiAl合金中基本元素Al的含量，这固然有利于其抗氧化性能的改善，但Al含量不宜太高，否则一旦析出脆性的TiAl3将影响其力学性能。二是通过加入第三种或者多种合金元素，如：Nb,Sb,Si,Cr,Y,Mo等虽然也可有效改善TiAl合金的高温抗氧化性能，但加入量过高通常会导致TiAl合金力学性能下降。离子注入法虽然注入量可控、重复性较好，但涉及的设备较昂贵、生产效率较低，且对TiAl合金成分改变的深度仅局限在表面较浅的范围(<1μm)。而防护涂层，如金属涂层MCrAl(Y)、陶瓷涂层(如SiO2、Al2O3和ZrO2等)以及扩散涂层(如Al、Si等)等虽然可作为屏蔽层阻挡氧气向基体渗透，但各自仍存在一定的问题。金属涂层与基体间的互扩散较严重，界面易析出硬脆相，同时产生柯肯达尔孔洞，严重降低了涂层与基体的结合强度；扩散涂层与基体热膨胀系数相差较大。中国专利局于2018年9月4日公开了一种提高钛基合金抗高温氧化的方法的专利技术专利申请，申请公开号为CN108486631A，其通过在钛基表面制备一层掺杂有活性元素的氧化膜的方式提高钛基合金的抗高温氧化性能。该技术方案随能够非常有效地提高钛基合金的抗高温氧化性能，但是其采用电沉积的方式，本身存在一定的污染性，并且在大规模工业化生产的过程中具有一定的局限性，同样稀土元素的掺杂也提高了处理的成本。
技术实现思路
为解决现有的钛基合金抗高温氧化能力不足，而现有的优化方法或存在降低了钛基合金力学性能，或存在着成本高并且存在一定的污染性，或现有的处理方式存在较大的局限性，大多仅适用于平板合金处理等问题，本专利技术提供了一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法。本专利技术的目的在于：一、提高钛基合金的抗高温氧化性能；二、简化处理方法、降低处理操作难度，更加简洁高效；三、降低成本、提高处理效率，易于实现，更加适用于工业化生产；四、不产生降低钛基合金力学性能等问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法，所述方法包括以下步骤：以含有卤素元素的的卤素盐配制盐溶液，将钛基合金置于盐溶液中，置于密封反应器中进行至少一次水热处理，最后冷却并清洗、干燥即可。本专利技术方法简洁高效，先对载体(钛基合金)进行包括除氧化皮、除油等的预处理操作后，随后将预处理后的载体置于配制好的盐溶液中，通过水热反应的高压高温环境实现卤素元素的掺杂。卤素元素的掺杂相较于金属元素的掺杂改性，由于卤素元素原子更小，其掺杂后不容易形成缺陷，而金属元素的掺杂则容易由于金属元素原子体积普遍更大，掺杂后容易由于体积效应产生缺陷，并且掺杂难度更大。此外，卤素元素的掺杂与金属元素的掺杂不同性还体现在掺杂方式上，卤素元素的掺杂位置处于原本钛基合金本身的缺陷处，相当于对钛基合金的缺陷进行填充，其可视作是填充的方式减少缺陷，而金属元素的掺杂则是通过置换出钛基合金中金属元素的方式进行掺杂，置换后通过所掺杂的金属元素原子挤压的方式减少缺陷，即可视作置换和挤压的方式减少缺陷。相较于填充的掺杂方式，通过置换和挤压减少缺陷同时容易产生新的缺陷，并且对原本的晶体结构产生了破坏，因此容易导致钛基合金的力学性能下降，而卤素元素掺杂则不存在该问题，通过水热处理的卤素元素掺杂更加高效并且均匀，可控性更强，不会对晶体结构产生破坏，进行对原有的缺陷进行相当于修补的操作，因此能够在提高钛基合金抗高温氧化性能的同时避免其力学性能产生下降。此外，水热处理还能够进行多次，因为水热处理过程中卤素元素还能够向钛基合金的更深层次进行填充扩散，多次水热后所能产生抗高温氧化的极限性能并不会得到显著的提升，但其在长时间高温环境中表现更加优异。相较于金属元素掺杂而言，氟化还进一步具备氟更难以氧化，掺杂后存在形式更加稳定的优点。作为优选，所述卤素元素为氯、溴和氟中的任意一种或多种；所述盐溶液中卤素盐的浓度为1～3wt％。卤素元素通常包括氟氯溴碘四种，但是在用于水热卤化掺杂时，碘元素原子体积较大，导致掺杂难度上升，并且其掺杂方式更接近于金属元素掺杂改性那般置换掺杂的方式，因此掺杂效果较差，抗高温氧化性能提升有限。因此选用氯、溴和氟进行掺杂的效果更优。卤素盐的浓度过高容易与钛基合金的基体成分产生大量的卤化盐，降低钛基合金的力学性能，而浓度过低则无法起到良好的卤化效果。作为优选，所述盐溶液中含有可溶性氟盐。氟相较于其他的卤素元素，其掺杂难度最小，掺杂后所产生的抗高温氧化性能提升最为明显、对钛基合金的力学性能影响最小。作为优选，所述可溶性氟盐为氟化铵。氟化铵相较于其他的氟盐的掺杂效果更优。作为优选，所述钛基合金为含铝钛基合金。所述含铝钛基合金中还可含有铌、镍、铬和硅中的任意一种或多种元素。含铝的钛基合金处理后抗高温氧化性能的提升更加显著，并且上述均为钛铝合金的掺杂元素，并且已经通过试验证实对上述合金进行高温氟化处理后抗高温氧化性能得到了非常显著的提升。作为优选，所述水热处理温度为120～200℃，一次水热处理的时间为5～10h。上述温度和时间范围基本能够实现提高钛基合金抗高温氧化性能的目的。作为优选，所述水热处理温度为140～180℃，一次水热处理的时间为6～10h。上述温度和时间范围水热处理后钛基合金抗高温氧化性能提升较为显著，并且对钛基合金的力学性能影响较小。作为优选，所述水热处理温度为150℃，一次水热处理的时间为8h。上述条件下水热后所得钛基合金抗高温氧化性能更优。本专利技术的有益效果是：1)能够有效提高钛基合金的抗高温氧化性能；2)能够避免钛基合金力学性能下降的问题发生；3)处理方法简洁高效，操作难度更低、成本更低、对设备的需求也更低，同时处理效率更高，更加适用于工业化生产；4)对钛基合金的形状不产生限制，可适用于任何形状的合金处理。附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法，其特征在于，/n所述方法包括以下步骤：/n以含有卤素元素的的卤素盐配制盐溶液，将钛基合金置于盐溶液中，置于密封反应器中进行至少一次水热处理，最后冷却并清洗、干燥即可。/n

【技术特征摘要】
1.一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：
以含有卤素元素的的卤素盐配制盐溶液，将钛基合金置于盐溶液中，置于密封反应器中进行至少一次水热处理，最后冷却并清洗、干燥即可。


2.根据权利要求1所述的一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法，其特征在于，
所述卤素元素为氯、溴和氟中的任意一种或多种；
所述盐溶液中卤素盐的浓度为1～3wt％。


3.根据权利要求1或2所述的一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法，其特征在于，
所述盐溶液中含有可溶性氟盐。


4.根据权利要求3所述的一种水热处理提高钛基合金抗高温氧化性能的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍廉奎，李哲轩，曹发和，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44