一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法与流程

[0001]
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法。


背景技术：

[0002]
随着现代工业的高速发展，对钛合金的性能等方面的要求也日渐增加。钛合金材料性能优良，其综合力学性能好、耐蚀性能强，而且可以作为主要的轻型结构材料之一，经常用于制作飞机起落架和发动机、压气机等各类机匣。因具有高耐腐蚀性而被广泛应用于生物医疗科技、航海等领域。钛合金虽然优点很多，但也有诸多缺点限制了其使用范围。钛合金硬度低，容易发生粘着磨损、磨粒磨损等现象。基于钛及钛合金在髙温条件下抗力差的性能特点，钛合金在更加高的温度条件下加热而不被氧化破坏，就需要对钛合金进行防护处理，以提高钛合金的髙温潜力和综合性能。且涂层是在冷却过程中形成的，由于基体和涂层组成相各自的热膨胀系数差别较大造成的，还有就是钛合金的导热系数差，在冷却过程中由外向里形成温度梯度较大，形成由表面向里的定向凝固是导致裂纹沿晶界扩展的主要原因。因此，对钛合金进行表面处理的研究有着重要的意义。


技术实现要素：

[0003]
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法，制备方法流程简单便于操作，能够在钛合金表面快速制得高强涂层，有效解决了现有技术中涂层抗力差、易产生裂纹和综合性能较差等问题，便于推广使用。
[0004]
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法，包括以下步骤：
[0005]
(1)将钛合金切割为片状，然后抛光、打磨，再超声清洗8-12min，得预处理钛合金；
[0006]
(2)将铝块在740-780℃温度下熔化，然后加入覆盖剂保温10-30min，得铝液，再将步骤(1)所得预处理钛合金放入760℃铝液中浸镀4-6min，取出后置于交变电磁场中直至涂层完全冷却凝固，得中间试样；
[0007]
(3)将电阻炉加热至780-820℃温度保温25-35min，然后放入步骤(2)所得中间试样扩散保温12-14h，空冷，在钛合金表面制得钛铝合金高强涂层。
[0008]
进一步，步骤(1)中，钛合金为ta15钛合金。
[0009]
进一步，步骤(1)中，将钛合金切割为3mm厚的片状。
[0010]
进一步，步骤(2)中，覆盖剂为氯化钾和氯化钠各50wt％的氯盐。
[0011]
进一步，步骤(2)中，将铝块在760℃温度下熔化，然后加入覆盖剂保温20min。
[0012]
进一步，步骤(2)中，交变电磁场的磁场强度为30-40mt。
[0013]
进一步，步骤(3)中，将电阻炉加热至800℃温度保温30min。
[0014]
综上所述，本发明具备以下优点：
[0015]
1、本发明的制备方法流程简单便于操作，能够在钛合金表面快速制得高强涂层，有效解决了现有技术中涂层抗力差、易产生裂纹和综合性能较差等问题，便于推广使用。
[0016]
2、制备过程中首先将钛合金进行预处理，这是为了去除钛合金表面的氧化皮，便于后续处理的进行；然后将预处理后的钛合金在铝液中浸镀，试样在铝液中发生一系列铝热反应，可以形成钛-铝间化合物；取出后在交变电磁场中冷却，交变电磁场起到改善组织、细化晶粒等作用，直至涂层完全冷却凝固，所得涂层大约100μm左右；交变电磁场可以增加对流，可以提高镀层与基体材料原子扩散速率，使二者更好的结合，防止涂层材料在后期使用过程中的开裂脱落；最后在高温下扩散保温则能够使镀层进行高温扩散，细化表面组织，形成稳定的钛-铝间化合物。
[0017]
3、将涂层在较高的温度中对其进行高温热扩散，可以细化表面组织，表面形成稳定的tixaly金属间化合物。钛-铝间化合物在高温条件下，具有很好的热稳定性和热抗氧化性，而且钛铝金属间化合物的强度和硬度都很高，耐磨性良好，是钛合金表面防护层的不错选择，将其施加在钛合金表面形成涂层，能够改善部分缺陷，大幅提高自身的高温使用性能和耐磨性。本发明将交变电磁场引入到热浸铝工艺涂层的凝固过程中，电磁场对整个熔体起到了电磁搅拌的作用，所产生的强制对流改变了涂层部分的温度场、浓度场，细化了晶粒。温度场的改变缘于对流作用使整体温度低于液相线的温度，减少了熔体的温度梯度，糊状区可能扩展至整个液态区，细化了晶粒。而且电磁搅拌作用加快了涂层中元素的对流作用，表层粗大的柱状晶被折断，更多致密的晶体结构在各个方向上的长大速率较均匀，使等轴晶区域扩大，晶粒细化明显。且热浸镀方法经济实惠，能有效的提髙合金高温氧化抗性。
[0018]
4、电磁场中凝固：微观裂纹、空洞是在冷却过程中形成的，由于基体和渗层组成相各自的热膨胀系数差别较大造成的，还有就是钛合金的导热系数差，在冷却过程中由外向里形成温度梯度较大，形成由表面向里的定向凝固是导致裂纹沿晶界扩展的主要原因。对于电磁场辅助金属凝固过程，特定强度的交变磁场作用下加速了涂层内部的传热，从而缩短了涂层局部凝固时间，枝晶间熔池在来不及析出时已经凝固；此外，涂层中的溶质在磁场力引起的强迫对流下重新均匀分布，促进熔体去填补凝固收缩时产生的空隙。从而降低了凝固组织的偏析度，有利于涂层组织性能的提高以及减少涂层开裂。
附图说明
[0019]
图1为实施例3所得钛铝合金高强涂层显微组织图；
[0020]
图2为对比例所得钛铝合金高强涂层显微组织图；
[0021]
图3为实施例3所得钛铝合金高强涂层eds能谱分析结果；
[0022]
图4为实施例3所得钛铝合金高强涂层的xrd图谱；
[0023]
图5为对比例所得钛铝合金高强涂层的xrd图谱。
具体实施方式
[0024]
实施例1
[0025]
一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法，包括以下步骤：
[0026]
(1)将ta15钛合金切割为3mm厚的片状，然后抛光、打磨，再超声清洗8min，得预处理钛合金；
[0027]
(2)将铝块在740℃温度下熔化，然后加入覆盖剂为氯化钾和氯化钠各50wt％的氯盐保温10min，得铝液，再将步骤(1)所得预处理钛合金放入760℃铝液中浸镀4min，取出后置于30mt交变电磁场中直至涂层完全冷却凝固，得中间试样；
[0028]
(3)将电阻炉加热至780℃温度保温25min，然后放入步骤(2)所得中间试样扩散保温12h，空冷，在钛合金表面制得钛铝合金高强涂层。
[0029]
实施例2
[0030]
一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法，包括以下步骤：
[0031]
(1)将ta15钛合金切割为3mm厚的片状，然后抛光、打磨，再超声清洗9min，得预处理钛合金；
[0032]
(2)将铝块在750℃温度下熔化，然后加入覆盖剂为氯化钾和氯化钠各50wt％的氯盐保温15min，得铝液，再将步骤(1)所得预处理钛合金放入760℃铝液中浸镀5min，取出后置于35mt交变电磁场中直至涂层完全冷却凝固，得中间试样；
[0033]
(3)将电阻炉加热至790℃温度保温28min，然后放入步骤(2)所得中间试样扩散保温13h，空冷，在钛合金表面制得钛铝合金高强涂层。
[0034]
实施例3
[0035]
一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法，包括以下步骤：
[0036]
(1)将ta15钛合金切割为3mm厚的片状，然后抛光、打磨，再超声清洗10min，得预处理钛合金；
[0037]
(2)将铝块在760℃温度下熔化，然后加入覆盖剂为氯化钾和氯化钠各50wt％的氯盐保温20min，得铝液，再将步骤(1)所得预处理钛合金放入760℃铝液中浸镀5min，取出后置于35mt交变电磁场中直至涂层完全冷却凝固，得中间试样；
[0038]
(3)将电阻炉加热至800℃温度保温30min，然后放入步骤(2)所得中间试样扩散保温13h，空冷，在钛合金表面制得钛铝合金高强涂层。
[0039]
实施例4
[0040]
一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法，包括以下步骤：
[0041]
(1)将ta15钛合金切割为3mm厚的片状，然后抛光、打磨，再超声清洗12min，得预处理钛合金；
[0042]
(2)将铝块在740-780℃温度下熔化，然后加入覆盖剂为氯化钾和氯化钠各50wt％的氯盐保温30min，得铝液，再将步骤(1)所得预处理钛合金放入760℃铝液中浸镀6min，取出后置于40mt交变电磁场中直至涂层完全冷却凝固，得中间试样；
[0043]
(3)将电阻炉加热至820℃温度保温35min，然后放入步骤(2)所得中间试样扩散保温14h，空冷，在钛合金表面制得钛铝合金高强涂层。
[0044]
对比例
[0045]
一种电磁场辅助钛合金表面制备钛铝合金高强涂层的方法，包括以下步骤：
[0046]
(1)将ta15钛合金切割为3mm厚的片状，然后抛光、打磨，再超声清洗10min，得预处理钛合金；
[0047]
(2)将铝块在760℃温度下熔化，然后加入覆盖剂为氯化钾和氯化钠各50wt％的氯盐保温20min，得铝液，再将步骤(1)所得预处理钛合金放入760℃铝液中浸镀5min，空冷，得中间试样；
[0048]
(3)将电阻炉加热至800℃温度保温30min，然后放入步骤(2)所得中间试样扩散保温13h，空冷，在钛合金表面制得钛铝合金高强涂层。
[0049]
实验例
[0050]
分别对实施例3和对比例所得钛铝合金高强涂层用显微镜进行观察，其结果如图1-2所示，图2中左侧为ta15钛合金基体，右侧黑暗处为tixaly金属间化合物涂层；并对实施例3所得钛铝合金高强涂层进行eds能谱分析，其结果如图3所示；再分别获取实施例3和对比例所得钛铝合金高强涂层的xrd图谱，其结果如图4-5所示。
[0051]
由图1-2可知，实施例3所得钛铝合金高强涂层与基体结合良好，组织均匀细小，无明显裂纹，没有孔洞等明显的缺陷；对比例所得涂层有多处明显的裂纹，其中几处为贯穿式裂纹，涂层在后期使用过程中极易脱落，无法起到对基体钛合金的保护作用，而且组织孔洞等缺陷较为明显。
[0052]
由图3可知，实施例3所得钛铝合金高强涂层主要元素为al、ti及少量的fe。电磁搅拌的作用所产生的强制对流使得铝元素向基体方向扩散，而钛元素则向涂层方向扩散，同时在高温条件下形成稳定的钛-铝间化合物。fe元素在电磁场的作用下向涂层扩散，一定程度上提高了涂层的硬度。
[0053]
由图4-5可知，实施例3所得钛铝合金高强涂层主要的相成分为tial3、ti3al2、tial2、ti5al
11
以及少量的al2o3和少量的fe2o3。由于交变电磁场的电磁搅拌作用和强制对流作用使得涂层产生了多种tixaly金属间化合物。fe元素扩散程度较大，与外部o元素形成了fe2o3。对比例所得涂层主要的相成分为tial3、少量的al2o3以及少量的fe单质。其中tial3、al2o3作为增强相可以提高合金基体的硬度和耐磨性，有效的保护基体；但是al2o3作为脆性材料，有可能使涂层的塑性下降而产生裂纹。
[0054]
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

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