【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钛合金表面强化，涉及钛合金表面多层多相强化层的制备方法。
技术介绍
1、钛合金是由钛与其他金属元素合金化而成的一类合金。其优点包括高强度、轻质、良好的耐腐蚀性和生物相容性。但钛合金表面硬度较低，耐磨性较差，严重制约了钛合金在磨损环境中的应用，为改善其硬度和耐磨性，通常会对钛合金进行表面强化处理以提高钛合金的硬度和耐磨性能。
2、传统钛合金表面强化技术种类繁多，包括超声滚压、等离子或激光熔覆、气相沉积、离子注入、以及表面渗碳或渗氮等技术。其中表面渗碳是提高钛合金表面性能的一种简单有效的方法，常用钛合金表面渗碳工艺包括两种，一种是气体渗碳，另一种是固体渗碳。气体渗碳过程中氢元素的渗入易导致氢脆问题，而采取预防氢脆措施则会增加制备难度及成本，极大限制了气体渗碳在钛合金中的应用，例如公开号为cn105420663b的中国专利中提出了一种低压真空气体渗碳复合渗氮技术，采用间歇式周期反复充气和抽气处理与渗碳渗氮过程结合，在钛合金表面制备出了钛的碳化物与氮化物及ti(n,c)，避免了氢脆问题的出现，但该工艺复杂，制备难度较大，难以应用在实际生产中。固体渗碳，例如公开号为cn1044328376b的中国专利中采用固体渗碳方法在tc4钛合金表面制备了碳化钛陶瓷层，改善了传统气体渗碳产生的氢脆问题，提高了钛合金的耐磨性，但制备的tic层表现出高脆性，导致渗碳层易开裂乃至剥落。因此，如何改良固体渗碳方法，解决钛合金表面碳化层高脆低韧的问题，提高钛合金表面碳化层的稳定性是目前急需解决的技术难题。
技
1、本专利技术的目的是提供钛合金表面多层多相强化层的制备方法，解决了现有固体渗碳方法在钛合金表面形成的碳化层高脆低韧的问题。
2、本专利技术所采用的技术方案是，钛合金表面多层多相强化层的制备方法，包括以下步骤：
3、步骤1，对钛合金进行预处理，除去表面氧化层和杂质；
4、步骤2，以铌钛合金丝为原料，采用自动送丝等离子熔覆设备在预处理后的钛合金表面均匀熔覆铌钛合金层，熔覆为单层多道次等离子熔覆；
5、步骤3，将表面熔覆有铌钛合金层的钛合金放入惰性气氛加热炉中进行固溶处理，然后进行60～100℃/min快速冷却，制得固溶预制体；
6、步骤4，在固溶预制体表面进行电镀铁处理，得到镀铁预制体；
7、步骤5，固体渗碳，将镀铁预制体置于坩埚中用固体渗碳剂粉末掩埋并密封，再置于石墨碳管加热炉中加热到900～1100℃，保温2h～8h，随炉冷却至室温后取出；
8、步骤6，将渗碳后的复合材料置于浓盐酸中进行酸洗除铁，即获得以(nbti)c渗碳层和铌钛合金熔覆层为强化层的钛合金。
9、步骤1中，对钛合金进行预处理，包括采用砂纸逐级打磨待熔覆钛合金表面，打磨至1000目后进行抛光，然后使用无水乙醇进行超声清洗，最后烘干备用。
10、步骤2采用的铌钛合金丝中铌含量为40～80wt.％，铌钛合金丝直径为1mm～6mm。
11、步骤2中，采用自动送丝等离子熔覆设备在预处理后的钛合金表面均匀熔覆铌钛合金层，等离子熔覆功率为19～24kw，等离子弧柱直径为5mm～10mm，采用侧向送丝方式进料，送丝速度为50～90mm/s，扫描速度为20～50mm/s，采用氩气作为保护气及等离子气，保护气气流量为25～30scfh，等离子气气流量为1.5～3.0scfh，熔覆得到的铌钛合金层厚度为1mm～7mm。
12、步骤3中，固溶处理温度为600～800℃，固溶处理时间为3h。
13、步骤4中，镀铁前先对熔覆层表面进行打磨抛光，并用水性油漆涂料对非电镀表面做防镀处理，待涂覆材料阴干1h后，以纯铁板做阳极，固溶预制体做阴极，在氯化亚铁水溶液中电镀一段时间，得到镀铁预制体。
14、步骤4中，氯化亚铁水溶液的ph值为1～5，电镀电流为0.05a～5a，电镀时间为20min～150min。
15、步骤5中，固体渗碳前，先用耐火涂料对非渗碳表面做涂覆防渗处理，待涂覆材料阴干24h后，再将镀铁预制体置于坩埚中用固体渗碳剂粉末掩埋并密封，再置于石墨碳管加热炉中加热到900～1100℃，升温速率为5℃/min～10℃/min。
16、固体渗碳剂组分为：碳酸钠5～20wt.％，碳酸钠5～20wt.％，余量为炭黑。
17、钛合金为tc4钛合金，固体渗碳得到的表面碳化物层厚度为15μm～100μm。
18、本专利技术的有益效果如下：
19、(1)通过等离子熔覆与固体渗碳方法，在钛合金表面形成了复相碳化物层，其中的复相碳化物(nbti)c是以富ti相为核，以富nb相为壳的核壳结构，渗碳层颗粒尺度由表及里呈现大→小→大的梯度分布，这种成分与晶粒尺寸的梯度变化使得碳化层在具有高硬度的同时也具有较好的韧性，在性能方面，(nbti)c断裂韧性优于单一的tic和nbc，且具有更高的变形抗力；
20、(2)在钛合金表面熔覆铌钛合金层，nb和ti是两种具有良好相容性的金属元素，它们可以形成无限固溶体，在熔覆过程中，nb和ti互相可以充分溶解，形成一个均匀的合金层，而不会出现明显的界面分离，这种无限固溶的特性提高了钛合金基体与熔覆层之间的结合力，也提高了材料在不同工况下的使用稳定性；
21、(3)通过在熔覆的铌钛合金层上镀铁再渗碳，有效避免了合金层渗碳中被氧化而导致的碳化层疏松和剥落，提高了碳化层的制备效率，而且该镀铁渗碳工艺可应用于复杂零件表面改性，相较于传统热压间隙原子渗碳法更加简单高效，适用性更广；
22、(4)本专利技术方法制备的复合碳化物层厚度可控，在900～1100℃温度范围内，随温度的升高碳化物陶瓷层厚度增加，随保温时间的延长，膜层厚度增加，通过控制适当的降温速率可使基体晶粒细小，有效保证钛合金基体的机械性能。
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1.钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，对钛合金进行预处理，包括采用砂纸逐级打磨待熔覆钛合金表面，打磨至1000目后进行抛光，然后使用无水乙醇进行超声清洗，最后烘干备用。
3.根据权利要求1所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤2采用的铌钛合金丝中铌含量为40～80wt.％，铌钛合金丝直径为1mm～6mm。
4.根据权利要求3所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用自动送丝等离子熔覆设备在预处理后的钛合金表面均匀熔覆铌钛合金层，等离子熔覆功率为19～24kW，等离子弧柱直径为5mm～10mm，采用侧向送丝方式进料，送丝速度为50～90mm/s，扫描速度为20～50mm/s，采用氩气作为保护气及等离子气，保护气气流量为25～30SCFH，等离子气气流量为1.5～3.0SCFH，熔覆得到的铌钛合金层厚度为1mm～7mm。
5.根据权利要求4所述的钛合金表面多层多相强化层
6.根据权利要求5所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，镀铁前先对熔覆层表面进行打磨抛光，并用水性油漆涂料对非电镀表面做防镀处理，待涂覆材料阴干1h后，以纯铁板做阳极，固溶预制体做阴极，在氯化亚铁水溶液中电镀一段时间，得到镀铁预制体。
7.根据权利要求6所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，氯化亚铁水溶液的PH值为1～5，电镀电流为0.05A～5A，电镀时间为20min～150min。
8.根据权利要求7所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，固体渗碳前，先用耐火涂料对非渗碳表面做涂覆防渗处理，待涂覆材料阴干24h后，再将镀铁预制体置于坩埚中用固体渗碳剂粉末掩埋并密封，再置于石墨碳管加热炉中加热到900～1100℃，升温速率为5℃/min～10℃/min。
9.根据权利要求8所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述固体渗碳剂组分为：碳酸钠5～20wt.％，碳酸钠5～20wt.％，余量为炭黑。
10.根据权利要求1或9中任一所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述钛合金为TC4钛合金，固体渗碳得到的表面碳化物层厚度为15μm～100μm。
...【技术特征摘要】
1.钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，对钛合金进行预处理，包括采用砂纸逐级打磨待熔覆钛合金表面，打磨至1000目后进行抛光，然后使用无水乙醇进行超声清洗，最后烘干备用。
3.根据权利要求1所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤2采用的铌钛合金丝中铌含量为40～80wt.％，铌钛合金丝直径为1mm～6mm。
4.根据权利要求3所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用自动送丝等离子熔覆设备在预处理后的钛合金表面均匀熔覆铌钛合金层，等离子熔覆功率为19～24kw，等离子弧柱直径为5mm～10mm，采用侧向送丝方式进料，送丝速度为50～90mm/s，扫描速度为20～50mm/s，采用氩气作为保护气及等离子气，保护气气流量为25～30scfh，等离子气气流量为1.5～3.0scfh，熔覆得到的铌钛合金层厚度为1mm～7mm。
5.根据权利要求4所述的钛合金表面多层多相强化层的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，固溶处理温度为600～800℃，固溶处理时间为3h。
6.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟黎声，侯凯，安元卿，朱建雷，王彦伟，许云华，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
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