[发明专利]一种提高TC4钛合金表面高温抗氧化性及耐磨性的方法

说明书

本发明涉及一种提高TC4钛合金表面高温抗氧化性及耐磨性的方法，属于钛合金表面处理技术领域。本发明通过在TC4钛合金表面制备B‑Al‑Si复合渗层以提高TC4钛合金表面高温抗氧化性及耐磨性，从外至内，B‑Al‑Si复合渗层依次包括TiB₂层、Al₃Ti层、Ti₅Si₃层和扩散层；B‑Al‑Si复合渗层厚度为20～35μm，表面硬度为2000～2800HV。Al₃Ti层和Ti₅Si₃层协同良好的高温抗氧化性能，具有高硬度的硬质相TiB₂、Al₃Ti层和Ti₅Si₃层协同作用，可大幅改善TC4钛合金表面铝化物涂层的抗高温氧化性以及耐磨性。

技术领域

本发明涉及一种提高TC4钛合金表面高温抗氧化性及耐磨性的方法，属于钛合金表面处理技术领域。

背景技术

钛及其合金因熔点高、比强度高、耐蚀性好、高温稳定性强、生物兼容性优异和无磁无毒等优点，被广泛应用于车辆工程、航空航天、海洋舰船、能源化工和生物医学等领域。但是传统钛合金在温度超过550℃时，钛会与氧气发生强烈反应，形成的TiO₂保护膜疏松多孔，高温防护效果差，因此它们只能被用在350-600℃的高温工作条件下。此外，钛及其合金的硬度较低，耐磨性较差，滑动时容易产生粘着磨损，从而导致工件咬死。上述缺点严重制约了钛及其合金更为广泛的工程应用。

制备表面防护涂层是提高钛合金抗高温氧化性和耐磨性的有效途径。目前普遍使用的高温防护涂层是铝化物涂层，但铝化物涂层与钛合金基体在高温下的元素互扩散严重，从而加速涂层失效。因此，改性铝化物涂层Al-Si涂层也逐渐发展成熟，诱导涂层在服役环境中形成稳定的保护性氧化层(Al₂O₃和SiO₂等)，减小涂层与基体键的互扩散，从而提高涂层的抗高温氧化性以及抗热腐蚀能力。然而，硅元素在抗高温氧化性涂层中的加入降低了涂层的厚度，且硅元素含量越多，所生成共渗涂层的总厚度越薄。这对合金的表面硬度及耐磨性极其不利。

发明内容

本发明针对现有TC4钛合金表面铝化物涂层抗高温氧化性差、表面硬度低引起的渗层使用寿命短、耐磨性差等问题，提出了一种提高TC4钛合金表面高温抗氧化性及耐磨性的方法，通过在TC4钛合金表面制备B-Al-Si复合渗层，利用Al₃Ti和Ti₅Si₃相的高温抗氧化性能和硬质相TiB₂相的高硬度，获得TiB₂层、Al₃Ti层、Ti₅Si₃层和扩散层组成的B-Al-Si复合渗层，弥补钛合金表面铝化物涂层抗高温氧化性不足，表面硬度低的缺陷，增长TC4钛合金的使用寿命，增强其服役安全性以拓宽其应用领域。

一种提高TC4钛合金表面高温抗氧化性及耐磨性的方法，在TC4钛合金表面制备B-Al-Si复合渗层，从外至内，B-Al-Si复合渗层依次包括TiB₂层、Al₃Ti层、Ti₅Si₃层和扩散层。

所述B-Al-Si复合渗层厚度为20～35μm，表面硬度为2000～2800HV。

所述B-Al-Si复合渗层的制备方法，具体步骤如下：

(1)将TC4钛合金基体进行预处理：表面除油、打磨、超声清洗；

(2)将预处理的TC4钛合金基体和渗剂密封，置于温度1000～1100℃下高温处理10～20h，随炉冷却，清洗去除残留的渗剂和杂质得到TC4钛合金表面B-Al-Si复合渗层，其中渗剂为铝粉、硅粉、硼粉、氯化铵和氧化铝的混合物。