[发明专利]基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法

说明书

本发明属于金属材料表面处理领域，尤其是基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法。所述方法包括：在钛基表面覆盖氟化物，升温热处理使得氟化物向钛基合金渗透形成氟化物改性层；或在钛基合金表面覆盖保护层，所述保护层中含有氟化物。本发明方法具有良好的普适性；能够有效提高钛基合金的抗高温氧化性能；处理方法简洁高效，操作难度更低、成本更低、对设备的需求也更低，同时处理效率更高，更加适用于工业化生产；对钛基合金的形状不产生限制，可适用于任何形状的合金处理；基本不产生对人体或环境有害的污染物，更加绿色环保。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理领域，尤其是基于氟化处理提高钛基合金服役温度的方法。

背景技术

钛基合金是一种用途广泛、具有优异性能的合金种类，其普遍具有强度高、密度小、机械性能较优异，且韧性和抗化学腐蚀性能优良等优点。其中，钛铝合金是一种常见的钛合金种类，其被广泛用于汽车或航空发动机的高温部件，如：压气机牙片、排气阀和增压涡轮增压涡轮等，特别在航空高温结构材料领域，由于钛铝合金具有比镍基合金更低的密度，且比强度、比刚度和高温蠕变性能等均十分优异的特点，是现有常用的镍基合金的理想替代材料，被认为是极具应用前景的新型轻质高温结构材料之一。

但是，当钛铝合金的实际使用温度超过750℃后，钛铝合金的抗高温氧化性能迅速恶化，在更高温度的条件下，钛和铝两种金属元素与氧的亲和能力非常接近，使得钛铝合金表面形成氧化钛和氧化铝的混合层，且两种氧化物生长速率极快、相互排斥导致氧化物混合层非常容易发生剥落，剥落后又进一步在内层重复该氧化—脱落的过程，形成一个恶性循环，严重影响了钛铝合金的使用性能。

而为了克服上述钛铝合金的不足，国内外学者采用了合金化、离子注入法、表面涂层和阳极氧化等诸多方法改性试图提高钛铝合金的服役温度。合金化是改善TiAl基合金高温氧化性能简单有效的方法，但TiAl基合金中添加一种或几种合金元素后，在改善合金的氧化性能的同时会对合金的力学性能产生影响。离子注入法虽然注入量可控、重复性好，但涉及的设备较为昂贵、生产效率较低，无法实现产业化；表面涂层的制备如金属涂层MCrAl(Y)、陶瓷涂层(如SiO2、Al2O3和ZrO2等)和扩散涂层(如Al、Si等)等虽然能够作为屏蔽层阻挡氧气向基体渗透，但各自仍存在一定的问题，如金属涂层与基体间的互扩散严重，容易析出硬脆相，同时产生柯肯达尔孔洞，严重降低了涂层与基体的结合强度，而扩散涂层与基体热膨胀系数相差较大。阳极氧化作为一种表面处理方式，工艺较为成熟，利于实际操作，但对氧化电解液以及工艺条件要求较高。

而通常情况下合金化改性是提高钛铝合金抗高温氧化性能的有效途径之一，但在对钛铝合金进行合金化改性、以提高其服役温度前需要对其进行成分设计，成分设计目前主要从以下两个方面入手：一是提高钛铝合金中基本元素Al的含量，这固然有利于提高其抗高温氧化性能，但却也引起了其产生脆化的隐患，在Al含量过高的情况下，容易析出TiAl3硬脆相导致整体钛铝合金的力学性能下降；二是通过引入额外的合金元素，如Nb、Sb、Si、Cr、Y和Mo等，其虽然也有改善钛铝合金抗高温氧化性能的作用，但是其在加入量过高的情况下同样容易导致钛铝合金的力学性能下降。

在上述基础上，本领域技术人员为提高钛铝合金的抗高温氧化性能，对各种改性方法均进行了研究。

如中国专利局公开的：CN104532321B一种添加氟化物的乙二醇溶液中钛铝合金阳极氧化的方法；CN105154690A一种耐高温钛铝基合金材料的制备方法；CN104193173A一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法；CN109385600A具有复合渗层的钛铝合金件及其制备方法、具有金刚石涂层的钛铝合金件及其制备方法；CN109385599A具有复合渗层的钛铝合金件及其制备方法、具有金刚石涂层的钛铝合金件及其制备方法；CN108486631A一种提高钛基合金抗高温氧化的方法；等。