[发明专利]一种钛合金表面纳米结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面纳米结构的制备方法，该方法是使用脉冲电子束的方法在钛合金材料表面制备纳米结构层，进而提高材料表面的力学性能，属于材料表面处理与改性技术领域。

背景技术

先进表面工程技术是材料科学技术发展的前沿，纳米技术在材料科学中的运用也是材料领域研究的热点。表面纳米化即利用各种物理或化学方法将材料的表层结构细化至纳米量级，制备出具有纳米结构的表层，但是基体仍然保持原有的状态，借以改善和提高材料的表面性能，如疲劳强度、抗蚀性和耐磨性等。现有的表面纳米化技术主要有：高能喷丸技术、超声冲子技术、激光表面处理技术、纳米喷涂技术和表面机械研磨技术等。这些技术均能制备一定厚度的纳米层，并使材料的抗疲劳、腐蚀和磨损等性能得到提高。脉冲电子束的表面纳米结构制备方法是使用脉冲电子束将材料快速加热使材料的表面达到熔化温度再进行急剧冷却通过动力学控制来提高形核率抑制晶粒长大速率可以在材料的表面获得纳米组织。目前，该种方法仅针对铁基材料进行表面纳米化处理，尚未在钛合金材料上得到应用。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种钛合金表面纳米结构的制备方法，其目的是采用脉冲电子束设备对钛合金材料进行表面纳米化处理，用于提高材料的表面性能。本发明涉及使用脉冲电子束设备对钛合金材料表面进行处理。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种钛合金表面纳米结构的制备方法，该方法的步骤是：

(1)工件的准备：

对工件进行吹砂处理，然后将工件放在5～10％水基清洗剂溶液的超声波清洗机中清洗10～20min，用清水漂洗干净，工件表面应有均匀水膜附着，否则应重新清洗，清洗后脱水、吹干、真空干燥；

(2)工件的装挂：

工件从真空干燥箱中取出后，装在夹具上，放入真空室的工位上，真空室的真空度P＜6.67×10^-3Pa，然后向工作室内冲入氩气作为保护气体。启动脉冲电子束设备，加载高压；

(3)对所需处理的材料表面进行冲击强化

主要参数范围：能量密度：15～25J/cm²，脉冲宽度：40～60μs，脉冲次数：2～8次；

(4)开真空室，检验工件表面质量。

本发明技术方案在钛合金材料表面形成的纳米结构层的纳米结构尺度小于100nm，深度达10μm以上。

附图说明

图1为本发明技术处理前后材料的X射线衍射图，其中，TC4-基体是未处理的原始材料，TA15-1采用不同脉冲电子束处理过的材料。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

采用D/max-2500/PCX射线衍射仪进行测定。测角仪扫描方式为θ/2θ联动。仪器参数如下表1。

表1D/max-2500/PC X射线衍射仪仪器参数

如图1所示，TC4在经过脉冲电子束作用后，试样的X射线衍射谱并没有明显新峰的出现，但是峰强度、峰形有所改变，各2θ角处半高宽的变化情况如表2所示。峰强度、峰形变化原因可能来源于以下几个方面：

1、在TC4-基体中，由于TC4中含有β、α两相，且这两相的峰在38.42°、70.66°处重叠，并有可能存在织构，所以峰强度很高。在TC4-1中，在2θ角为38.42°处的峰在处理前的峰强度明显变小，在2θ角为35.09°处峰强度明显变大，这种现象有两种解释：一是出现β相向α相的转变，二是可以认为是强化时出现织构。并且，在TC4-1中可以明显看出出现谱峰的宽化，结合扫描电镜照片可知产生这种现象的原因是由于脉冲电子束处理使表面晶粒细化。

2、由表2可看出出现谱峰的宽化，结合扫描电镜照片可知产生这种现象的原因是由于电子束强化处理使表面晶粒细化。

表2各2θ角处半高宽的变化情况

3、脉冲电子束作用后表面实现纳米化，由X射线计算得到的晶粒尺寸为18.7nm。

参见图1所示，采用本发明技术方案对TC4材料进行脉冲电子束处理，制备表面纳米结构层，并与TC4未处理的原始材料基体进行X射线衍射图谱比对。

采用脉冲电子束设备对钛合金材料进行处理的具体步骤如下：

1开机

启动设备，加载高压。

2工件

2.1处理检查：检查工件表面质量，进行吹砂处理。

2.2清洗