[发明专利]一种强流脉冲电子束辐照TC4钛合金表面合金化方法

说明书

本发明涉及一种钛合金表面合金化的处理方法。特指一种强流脉冲电子束辐照TC4钛合金表面合金化方法。本发明采用新型载能束表面改性技术‑强流脉冲电子束对样品表面进行合金化处理，通过对注入能量、脉宽和辐照次数等参数的调整，可以对样品表面进行较大范围的改性以使其表面性能达到最优状态。具有极高能量的载能束瞬间作用在材料表面使涂层和基体表面同时发生了骤热极冷和定向凝固的过程，使得涂层元素与基体充分均匀混合而发生冶金结合，进而在表面形成一层具有特殊性能且成分分布均匀的合金化层。

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面合金化的处理方法。具体是通过预置涂层与强流脉冲电子束辐照技术相结合的方法，在TC4钛合金表面制备一层具有高耐磨性和极佳耐腐蚀性的合金化层，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

TC4(Ti₆Al₄V)合金是一种中等强度的α+β型两相钛合金，由于其综合性能良好，如强度高、无铁磁性、密度小、耐蚀性好、加工性能优异以及良好的生物相容性。因此，TC4钛合金被广泛应用于航天航空、舰船与航海、生物医学、汽车制造等领域。但在实际应用中依然存在着诸如硬度不高、耐磨性差以及在某些介质中耐蚀性能较差等一些与表面性能相关的问题，对TC4结构件的安全性和可靠性造成不利影响，进而制约了其更广泛的应用。为了保证钛合金能够在恶劣环境下的服役过程中充分发挥自身的优良性能，除了改良其整体成分组成和工艺，至今最为有效的方法当属表面改性技术，因此国内外学者一直热衷于研究这种技术在钛合金上的应用。

表面合金化作为表面改性的一种方法，指通过扩散来改变基体金属表面层成分和组织的材料改性技术，在表面性能差的基体金属表面制出综合性能优良且成本较低的表面合金，从而替代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料，大幅度降低成本。它具有提高材料表面硬度、耐磨性及耐腐蚀性，防止材料热疲劳，延长使用寿命等优点。目前，气相沉积、热喷涂、激光表面技术和离子束注入等表面工艺在钛合金上的应用比较广泛，然而这些方法通常存在成本高、操作过程复杂、周期长和效率低等一系列问题。

近年来，强流脉冲电子束(HCPEB)表面合金化作为新出现的一种载能束表面改性技术受到材料科学工作者的广泛关注。在HCPEB表面合金化过程中，高能量(10⁸～10⁹W/cm²)瞬间沉积在材料表面，使涂层和基体表面同时发生了加热、熔化和快速凝固的过程，进而造成涂层元素与基体混合，进而在表面形成合金化层；此外，相变、晶粒细化和表面成分均匀化均有可能发生。在实现涂层与基体表面间冶金结合的同时，解决了界面结合力弱的问题。以往的研究表明，HCPEB表面合金化是一种提高材料机械性能和腐蚀抗力的有效途径。

因此，开发TC4钛合金的电子束表面处理工艺对于钛合金的应用价值有很重要的作用。

发明内容

为了解决TC4钛合金硬度低且耐磨性差这两个主要问题，本发明的目的在于提供一种生产成本低、操作简单、工艺周期短和高效率的表面合金化改性方法，以此改善TC4钛合金的表面性能，进而延长其服役寿命。

本发明采用的涂覆粉末为纯铬粉，铬是常见的合金化元素，本身是一种高熔点、耐腐蚀性较好的金属元素，可在高温下形成连续致密的Cr₂O₃膜，阻隔空气与金属离子的扩散，减缓金属的氧化速率，提高合金的抗氧化性能。另外，铬元素可与Ti有限固溶，在金属材料中可形成Cr₂Ti等具有高硬度和高强度的金属化合物，当其以颗粒状弥散性分布在金属基体上时，可提高材料的强度、耐磨性。

本发明采用新型载能束表面改性技术-强流脉冲电子束对样品表面进行合金化处理，通过对注入能量、脉宽和辐照次数等参数的调整，可以对样品表面进行较大范围的改性以使其表面性能达到最优状态。具有极高能量的载能束瞬间作用在材料表面使涂层和基体表面同时发生了骤热极冷和定向凝固的过程，使得涂层元素与基体充分均匀混合而发生冶金结合，进而在表面形成一层具有特殊性能且成分分布均匀的合金化层。