基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法技术

本发明专利技术属于金属材料表面处理领域，尤其是基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法。所述方法包括：在钛基表面覆盖氟化物，升温热处理使得氟化物向钛基合金渗透形成氟化物改性层；或在钛基合金表面覆盖保护层，所述保护层中含有氟化物。本发明专利技术方法具有良好的普适性；能够有效提高钛基合金的抗高温氧化性能；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；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；基本不产生对人体或环境有害的污染物，更加绿色环保。

【技术实现步骤摘要】
基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法
本专利技术属于金属材料表面处理领域，尤其是基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法。
技术介绍
钛基合金是一种用途广泛、具有优异性能的合金种类，其普遍具有强度高、密度小、机械性能较优异，且韧性和抗化学腐蚀性能优良等优点。其中，钛铝合金是一种常见的钛合金种类，其被广泛用于汽车或航空发动机的高温部件，如：压气机牙片、排气阀和增压涡轮增压涡轮等，特别在航空高温结构材料领域，由于钛铝合金具有比镍基合金更低的密度，且比强度、比刚度和高温蠕变性能等均十分优异的特点，是现有常用的镍基合金的理想替代材料，被认为是极具应用前景的新型轻质高温结构材料之一。但是，当钛铝合金的实际使用温度超过750℃后，钛铝合金的抗高温氧化性能迅速恶化，在更高温度的条件下，钛和铝两种金属元素与氧的亲和能力非常接近，使得钛铝合金表面形成氧化钛和氧化铝的混合层，且两种氧化物生长速率极快、相互排斥导致氧化物混合层非常容易发生剥落，剥落后又进一步在内层重复该氧化—脱落的过程，形成一个恶性循环，严重影响了钛铝合金的使用性能。而为了克服上述钛铝合金的不足，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诸多方法改性试图提高钛铝合金的服役温度。合金化是改善TiAl基合金高温氧化性能简单有效的方法，但TiAl基合金中添加一种或几种合金元素后，在改善合金的氧化性能的同时会对合金的力学性能产生影响。离子注入法虽然注入量可控、重复性好，但涉及的设备较为昂贵、生产效率较低，无法实现产业化；表面涂层的制备如金属涂层MCrAl(Y)、陶瓷涂层(如SiO2、Al2O3和ZrO2等)和扩散涂层(如Al、Si等)等虽然能够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，如金属涂层与基体间的互扩散严重，容易析出硬脆相，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，而扩散涂层与基体热膨胀系数相差较大。阳极氧化作为一种表面处理方式，工艺较为成熟，利于实际操作，但对氧化电解液以及工艺条件要求较高。而通常情况下合金化改性是提高钛铝合金抗高温氧化性能的有效途径之一，但在对钛铝合金进行合金化改性、以提高其服役温度前需要对其进行成分设计，成分设计目前主要从以下两个方面入手：一是提高钛铝合金中基本元素Al的含量，这固然有利于提高其抗高温氧化性能，但却也引起了其产生脆化的隐患，在Al含量过高的情况下，容易析出TiAl3硬脆相导致整体钛铝合金的力学性能下降；二是通过引入额外的合金元素，如Nb、Sb、Si、Cr、Y和Mo等，其虽然也有改善钛铝合金抗高温氧化性能的作用，但是其在加入量过高的情况下同样容易导致钛铝合金的力学性能下降。在上述基础上，本领域技术人员为提高钛铝合金的抗高温氧化性能，对各种改性方法均进行了研究。如中国专利局公开的：CN104532321B一种添加氟化物的乙二醇溶液中钛铝合金阳极氧化的方法；CN105154690A一种耐高温钛铝基合金材料的制备方法；CN104193173A一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法；CN109385600A具有复合渗层的钛铝合金件及其制备方法、具有金刚石涂层的钛铝合金件及其制备方法；CN109385599A具有复合渗层的钛铝合金件及其制备方法、具有金刚石涂层的钛铝合金件及其制备方法；CN108486631A一种提高钛基合金抗高温氧化的方法；等。上述各种技术方案各自通过合理优化的改进方案，对钛基合金进行了有效的改善，产生了显著的改善效果，但是同样各自存在一定的缺陷。如CN104532321B和CN108486631A，其对钛铝合金的抗高温氧化性能改善效果十分显著，但是本身采用电沉积或阳极氧化等方式进行，存在一定的污染性；又如CN105154690A和CN104193173A，其直接通过对钛铝合金的配方进行改良或涂覆合金化涂料提高了钛铝合金的抗高温氧化性能，但是仍存在着服役过程中容易析出硬脆相的问题；而CN109385600A和CN109385599A两个技术方案对钛铝合金的耐磨性等方面机械性能进行了有效的优化，但在抗高温氧化性能方面并无优化或无显著的优化效果。此外，上述的各技术方案均在大规模工业化生产过程中具有较大的局限性，从设备、原料和污染等多方面考虑均不适宜大范围地推广使用。
技术实现思路
为解决现有的钛基合金虽普遍具有良好的抗氧化性能，但在服役温度超过750℃的条件下，其抗氧化性能急剧下降，而现有技术并无一种有效且低成本的改性方式能够对钛铝合金的抗高温氧化性能进行优化的问题，本专利技术提供了基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法。本专利技术的目的在于：一、提供两种基于氟化提高钛基合金服役温度的处理方式，以适应不同的使用要求和使用环境；二、使得方法简洁高效，能够有效适应产业化、工业化使用；三、大幅度降低改性成本；四、降低改性过程所产生的污染，更加绿色健康。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。一种基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法，所述方法包括：在钛基表面覆盖氟化物，升温热处理使得氟化物向钛基合金渗透形成氟化物改性层。本专利技术方法简洁高效，首先对钛基合金进行包括去除氧化皮、除油等常规预处理操作后，将氟化物添加至钛基合金表面，通过升温的方式使得氟化物分解产生氟元素，氟元素在高温条件下进行扩散和渗透，进入至钛基合金内部，实现对钛基合金的氟化掺杂。氟化掺杂相较于金属元素的掺杂改性而言，由于金属元素的原子体积普遍较大，掺杂后容易由于体积效应产生缺陷，并且掺杂难度更大，需要在较高温度的条件下进行掺杂，掺杂过程中即会对钛基合金产生一定的损伤，而氟原子的原子体积显著小于金属元素，其掺杂后不易形成掺杂缺陷。此外，氟元素相较于金属元素掺杂，特殊性还体现在掺杂方式上。氟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，其可视作以填充的方式减少缺陷，而金属元素的掺杂则普遍是通过置换出钛基合金中金属元素的方式进行置换掺杂，置换后通过所掺杂的金属元素原子挤压以减少原本钛基合金的缺陷。填充掺杂和置换/挤压掺杂两者相较而言，置换/挤压掺杂的方式更容易同时产生新的缺陷，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，而氟元素的填充掺杂则不存在该问题，能够有效保持钛基合金原本的力学性能，同时在合金表面原位生长一层含氟氧化膜提高钛基合金的抗高温氧化性能。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。上述的氟化物可为有机氟化物或如氟化钠、氟化铵等无机氟化物，无机氟化物主要以小分子氟盐为主。作为优选，所述氟化物为有机氟化物；其覆盖方式包括涂覆、浸泡、压片贴合中的至少一种。有机氟化物相较于无机氟化物而言，其更容易分解产生活泼的氟元素进行掺杂，以提高氟化掺杂的效率，并且无机氟化物容易在钛基合金表面产生残留的杂质，导致改性层中掺杂有杂质，降低了掺杂效果，并存在对钛基合金力学性能产生不利影响的隐患。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法，其特征在于，/n所述方法包括：/n在钛基表面覆盖氟化物，升温热处理使得氟化物向钛基合金渗透形成氟化物改性层。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法，其特征在于，
所述方法包括：
在钛基表面覆盖氟化物，升温热处理使得氟化物向钛基合金渗透形成氟化物改性层。


2.根据权利要求1所述的一种基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法，其特征在于，
所述氟化物为有机氟化物。


3.根据权利要求2所述的一种基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法，其特征在于，
所述氟化物为含氟聚合物，其为熔融态、或液态、或配制为悬浊液或乳浊液或溶液，并采用喷涂的方式覆盖在钛基合金表面。


4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法，其特征在于，
所述升温至400～1000℃后保温热处理1～8h。


5.根据权利要求4所述的一种基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法，其特征在于，
所述升温至500～800℃后保温热处理3～6h。


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