[发明专利]一种等离子体辅助气体合金化的方法

说明书

本发明涉及金属合金化处理技术领域，具体是一种等离子体辅助气体合金化的方法，将所需合金化的金属原料放入真空电弧熔炼炉的水冷坩埚中，将真空电弧熔炼炉抽真空，向真空电弧熔炼炉内通入混合气，达到熔炼压力值，开始熔炼，熔炼一次持续2～5min，再冷却3min，再将熔炼得到的铸锭上下翻转180°即为一个熔炼周期，重复3～5个熔炼周期，待合金充分冷却后即得含有气体元素的合金化金属。本发明在金属熔炼过程中通过等离子电离气体，从而使气体原子扩散进入到金属中，进而实现合金的整体使用性能或加工性能的提升，满足材料在不同使用环境及加工过程中的性能需求。

技术领域

本发明涉及金属合金化处理技术领域，具体是一种等离子体辅助气体合金化的方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，对材料的性能要求也是日渐增长，传统的合金很难满足特殊条件的性能要求，随后合金化概念被提出。合金化是指通过加入元素，使金属成为在一定的工艺条件下，具有预期性能的合金的步骤。为使材料满足特殊的性能要求，氢、氮、氧等是常用的合金化气体。例如：氢可以改善钛合金和钛铝合金的热加工性能，氮或者氧可以提高大部分合金的强度等等。

现有技术中气体合金化金属几乎全是通过固体金属在高温高压条件下的真空炉中进行的，该方法对设备要求较高，需要专用的设备，速度缓慢并且耗能，效率较低，获得气体合金化合金的周期很长。由于是气体在固体中的扩散，其合金化均匀程度较低，增加了生产成本，产品合格率也不高。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题，提供了一种等离子体辅助气体合金化的方法，能够在金属熔炼过程中，在整个合金铸锭中形成合金元素分布均匀的气体合金化合金，无需设计专用的合金化设备，从而降低生产成本，同时缩短了合金化金属的周期。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种等离子体辅助气体合金化的方法，包括以下步骤：

将所需合金化的金属原料放入真空电弧熔炼炉的水冷坩埚中，将真空电弧熔炼炉抽真空，再用混合气对真空电弧熔炼炉洗气，洗气步骤重复2～3次，再将真空电弧熔炼炉抽真空，向真空电弧熔炼炉内通入混合气，达到熔炼压力值，开始熔炼，熔炼一次持续2～5min，熔炼过程中持续通入混合气，再冷却3min，再将熔炼得到的铸锭上下翻转180°即为一个熔炼周期，重复3～5个熔炼周期，待合金充分冷却后即得含有气体元素的合金化金属。

真空的状态可以避免空气中的杂质原子与金属原料及气体合金化元素在高温状态下发生反应，从而避免合金化元素分布不均匀，并且在真空状态下，金属件受热均匀，从而保证气体在合金件中分布均一稳定。洗气2～3次可以提高熔炼过程中混合气的纯度，更有利于等离子体辅助气体合金化处理。

每次熔炼2～5min是为了保证合金原料充分熔化，并且气体有充足的时间在等离子作用下电离成(H、O、N)原子扩散进入合金中。上下翻转可以在一定程度上保证合金成分和(H、O、N)原子在合金中分布均匀。熔炼3～5次可以保证合金吸收的(H、O、N)原子可以达到饱和状态。

进一步地说，所述的所需合金化的金属原料包括钛合金、锆合金、钛铝合金、铁基合金或高熵合金中的任意一种。

进一步地说，所述的真空电弧熔炼炉抽真空的真空度为5×10^-3Pa～2Pa。

进一步地说，所述的混合气为X₂/Ar₂，其中X为H、O、N。

进一步地说，所述的真空电弧熔炼炉内通入混合气的方式为采用高纯气体(H₂、O₂、N₂、Ar),分别调整不同气体储存钢瓶流量先通入混气罐内混合均匀，具体方法如下所示：