一种通过添加金属锆提高钛合金易氧化能力及耐蚀耐磨性能的方法技术

本发明专利技术为一种通过添加金属锆提高钛合金易氧化能力及耐蚀耐磨性能的方法。该方法在钛合金中添加30％

【技术实现步骤摘要】
一种通过添加金属锆提高钛合金易氧化能力及耐蚀耐磨性能的方法


[0001]本专利技术涉及钛合金领域，尤其是一种钛合金添加金属锆的提高易氧化能力和耐蚀耐磨性性能的方法。

技术介绍

[0002]钛及其合金具有比强度高，耐蚀性好，耐热性好，生物相容性好等优点，因此广泛的应用在航空航天、航海、工业和生物医用等领域。钛等阀金属易氧化，表面通常有一层几纳米的氧化膜，保证了在一般条件下的耐蚀性。但是相对于一些苛刻环境，如高压、高辐照、交变温度等耐蚀性不足。同时耐磨性不足限制了其在工程应用的发展。
[0003]锆和钛同属于IVB族，具有类似的理化性质。锆及其合金具有优异的核性能，热中子吸收截面低，仅有0.18
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10
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28
m2，能有效的反射中子的外溢，被广泛应用于核工业。锆作为钛合金的中性合金化元素，锆的添加使得钛合金发生固溶强化，使得能一定程度提高钛合金的整体性能。但是同样也面临耐磨性不足，极端环境下耐腐蚀性不足的问题。
[0004]提升钛合金的耐腐蚀性和耐磨性的方法主要有两种：一是设计新型耐磨耐蚀合金；二是对钛合金进行表面改性。表面改性是最直接有效的方式，常见的表面改性有：离子注入、激光表面处理、阳极氧化、微弧氧化、热氧化等。表面热氧化工艺是金属材料或金属工件在炉中加热及保温时，工件表面的金属原子与炉内介质(氧化性组分)相化合的热处理工艺。其因为经济成本低，对样品限制小，可批量生产，而且原位生成的陶瓷氧化膜相比于微弧氧化等工艺更加致密，在钛合金中有这广泛的应用。/>[0005]经过表面热氧化处理的钛合金一定程度上提高了其耐蚀性耐磨性，钛合金如TC4在低温(400
‑
600℃)时生成的氧化膜较薄，约为1
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10um；在高温时(700
‑
800℃)时生成的氧化膜约为10
‑
40um。但是在这温度下会发生氧化转折现象，生成的氧化膜比较疏松，高温反应也会使基体对陶瓷层的约束力减弱，容易脱落。所以热氧化以后的钛合金在面临更加苛刻的腐蚀磨损条件，优势不够明显。如何获得更加适合苛刻环境下的连续稳定的氧化膜层，解决钛合金氧化膜不够致密，与基体结合强度不够等问题是许多科研工作者研究的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术所面临的问题，提供了一种通过添加金属锆提高钛合金易氧化能力及耐蚀耐磨性能的方法。该方法在钛合金中添加30％
‑
50％的金属锆，600℃下在其表面进行热氧化，最后在氧氩混合气体的压力下冷却，合金在高温下氧原子发生吸附、分解、扩散，与钛合金中的金属阳离子发生反应形成氧化膜。本专利技术优化了钛合金氧化技术，增加钛合金的氧化能力使得获得的氧化膜更厚更致密的同时，还保证优良的结合力，厚而且致密的氧化膜阻挡了基体与复杂环境溶液接触，进而提高了耐蚀性；膜的良好的硬度使得获得了更好的耐磨性，使得能更好的适应复杂的苛刻环境。
[0007]本专利技术技术方案如下：
[0008]一种通过添加金属锆提高钛合金易氧化能力及耐蚀耐磨性能的方法，该方法包括以下步骤：
[0009]第一步：合金制备
[0010]将纯锆、纯钛和其他添加金属分别清洗后，按照所需合金的设计比例进行配料；然后放入非自耗电弧熔炼炉中，炉内真空度抽到4.5～5
×
10
‑3Pa，充入0.04MPa
‑
0.06MPa的高纯氩气，熔炼电流在160A～220A/S进行熔炼；熔炼5～8次后；再对铸锭进行锻造和均匀化退火处理；按所需尺寸进行线切割；
[0011]其中，合金原料中，锆的质量百分含量为30％
‑
50％，钛的质量百分含量为50％
‑
70％；其他添加金属的质量百分含量为0～15％；其他添加金属为Mo、Al和V中的一种或多种；当添加金属的含量为0时，意味着不添加。
[0012]所述的锆钛合金为Ti
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Zr合金、Ti
‑
Zr
‑
Mo合金或Ti
‑
Zr
‑
Al
‑
V合金；
[0013]上述纯锆纯度为99.5wt％，纯钛纯度为99.7wt％，添加金属的纯度≥99.5wt％。
[0014]第二步：打磨抛光处理
[0015]依次用150
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、600
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、1000
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、2000
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、3000
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、5000
#
的SiC砂纸对切割后的钛合金打磨，直至试样表面无明显划痕，之后用抛光膏进行抛光处理，保证粗糙度在Ra0.005
‑
0.01，用去离子水清洗后，并浸入酒精进行超声波清洗10～20min，烘干待用；
[0016]第三步：表面热氧化处理
[0017]将抛光后的钛合金水平放置在真空管式炉中，进行热氧化处理，得到经过氧化处理的钛合金；
[0018]所述的热氧化处理，包括以下几种方式：
[0019]方式一：当升温至550
‑
650℃前，不放入钛合金；升温至指定温度时，然后放入钛合金，在空气氛围下，保温5
‑
40h；保温结束后通入氧氩混合气体，使炉内压强为0.025Mpa
‑
0.05Mpa，随炉冷却；
[0020]或者，方式二：在空气氛围下，将钛合金随炉升温至550
‑
650℃，然后空气氛围下保温5
‑
40h，保温结束后通入氧氩混合气体，使保证炉内压强为0.025Mpa
‑
0.05Mpa，随炉冷却；
[0021]所述的氧氩混合气体中，氧气的体积含量为21％。
[0022]所述的第三步中的升温速率为4～6℃/min。
[0023]本专利技术的实质性特点为：
[0024]当前的钛合金氧化处理技术中，处理温度在500
‑
1000℃，主要区别冷却方式为空冷及炉冷。由于在原有的钛合金高温表面氧化在过程中，温度过低(500℃)，由于金属和氧气得不到充分反应，氧化膜会很薄且不连续，会使基体塑性降低，不能明显提高其耐蚀耐磨性；温度过高(800℃以上)，由于存在高应力，过度氧化会造成氧化层出现裂纹、孔洞等缺陷；也会出现氧化膜与基体结合力差，容易脱落的缺陷。
[0025]本专利技术是通过引入金属锆元素，利用锆更容易吸氧的特点，通过高温下钛和锆的热力学动力学，制备了比未添加金属锆的钛合金更厚的热氧化膜，进一步提高了钛合金的易氧化能力及耐蚀耐磨性。其中，添加大于30％的金属锆的钛合金会增加易氧化性，另一个是氧化的方式，在空气中随炉升温，在550
‑
650℃温度下，保温5
‑
40h。保温结束后通氧氩混合气体，使得在压应力的条件下生成的膜更致密。
[0026]本专利技术的有益效果为：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过添加金属锆提高钛合金易氧化能力及耐蚀耐磨性能的方法，其特征为该方法包括以下步骤：第一步：合金制备将纯锆、纯钛和其他添加金属分别清洗后，按照所需合金的设计比例进行配料；然后放入非自耗电弧熔炼炉中，炉内真空度抽到4.5～5
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‑3Pa，充入0.04MPa
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0.06MPa的高纯氩气，熔炼电流在160A～220A/S进行熔炼；熔炼5～8次后；再对铸锭进行锻造和均匀化退火处理；按所需尺寸进行线切割；其中，合金原料中，锆的质量百分含量为30％
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50％，钛的质量百分含量为50％
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70％；其他添加金属的质量百分含量为0～15％；其他添加金属为Mo、Al和V中的一种或多种；第二步：打磨抛光处理；第三步：表面热氧化处理：将抛光后的钛合金水平放置在真空管式炉中，进行热氧化处理，得到经过氧化处理的钛合金；所述的热氧化处理，包括以下两种方式：方式一：当升温至550
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650℃前，不放入钛合金；升温至指定温度时，然后放入钛合金，在空气氛围下，保温5
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40h；保温结束后通入氧氩混合气体，使炉内压强为0.025Mpa
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0.05Mpa，随炉冷却；或者，方式二：在空气氛围下...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏超群，宋天朔，李强，杨泰，丁玉苗，刘芊莹，刘毅伟，李夏瑾，张一凡，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：