一种基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法与流程

一种基于tib晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于tib晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法，属于表面处理技术领域。


背景技术：

2.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。此外，在高温环境下使用时，其表面形成的氧化膜易剥落，使其抗氧化性降低；氧很容易通过氧化膜溶入基体合金形成脆性层，使合金力学性能恶化，导致合金机械性能严重下降，结构零部件失效。上述缺点严重制约了钛及其合金更为广泛的工程应用。
3.渗硼技术是近年来快速发展起来的提高钛及其合金表面性能的重要表面改性技术之一。然而，由于钛及其合金的渗硼层由tib2外层和tib晶须内层组成，其厚度最大仅为60μm，无法有效阻止氧向基体扩散；此外，钛及其合金表面渗硼层显微硬度是基体的7
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8倍，硬度梯度从渗硼层至基体的变化幅度大，极易引起渗硼层与基体结合处应力集中，导致渗硼层与基体结合力差，渗硼层易脱落，使渗硼后钛及其合金仍难以满足耐磨和高温抗氧化性能方面的要求。采用b
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al复合渗处理的钛及其合金渗层要么表面硬度高(1429hv)、厚度小(37μm)，要么硬度低(1041.7hv)、厚度大(115μm)；而采用b
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al共渗处理的tc4钛合金渗层表面硬度(1221hv)和厚度(69.8μm)都较低，仍未完全克服厚度小、硬度梯度大或表面硬度低引起的渗层易脱落、耐磨性差等缺陷，对改善钛及其合金表面耐磨性、高温抗氧化性还是不够理想。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术钛及其合金表面处理的问题，提供一种基于tib晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法，本发明在钛或钛合金基体中生长tib晶须，通过渗铝
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渗硼的复合渗方法在tib2层和tial3层之间形成tib晶须
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tial3层，获得厚度不小于100μm且硬度梯度变化平缓的梯度渗层，弥补钛及其合金表面渗层厚度小、硬度梯度大的缺陷，改善钛及其合金的耐磨性和高温抗氧化性；本发明可获得厚度大、表面硬度大且硬度梯度合理的钛及其合金表面梯度渗层，对提高钛及其合金工件的使用寿命，增加其服役安全性意义重要。
5.一种基于tib晶须的钛或钛合金的梯度渗层，梯度渗层从表面至基体依次包括tib2外层、tib晶须
‑
tial3次外层、tial3层和扩散层，梯度渗层的厚度不小于100μm，表面硬度不小于2200hv，表面层与基体层的硬度差不大于500hv。
6.所述基于tib晶须的钛或钛合金的梯度渗层的制备方法，具体步骤如下：
7.(1)在钛或钛合金基体中制备tib晶须；
8.(2)基于tib晶须进行渗铝，依次生成tib晶须
‑
tial3次外层、tial3层和扩散层；
9.(3)表面渗硼生成tib2外层。
10.所述tib晶须长度为40～60μm，tib晶须
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tial3次外层厚度为40～60μm，tial3层厚度为30～50μm，扩散层厚度为5～10μm，tib2外层厚度为5～20μm。
11.本发明的有益效果是：
12.(1)本发明在钛或钛合金基体中生长tib晶须，通过渗铝
‑
渗硼的复合渗方法在tib2层和tial3层之间形成tib晶须
‑
tial3层，获得厚度不小于100μm且硬度梯度变化平缓的梯度渗层，弥补钛及其合金表面渗层厚度小、硬度梯度大的缺陷，改善钛及其合金的耐磨性和高温抗氧化性；
13.(2)本发明梯度渗层的厚度不小于100μm，表面硬度不小于2200hv，表面层与基体层的硬度差不大于500hv，可提高钛及其合金工件的使用寿命，增加其服役安全性。
附图说明
14.图1为实施例1纯钛中tib晶须形貌扫描电镜图；
15.图2为实施例1基于tib晶须的纯钛梯度渗层的截面形貌扫描电镜图；
16.图3为实施例2tc4钛合金中tib晶须形貌扫描电镜图；
17.图4为实施例2基于tib晶须的tc4钛合金梯度渗层的截面形貌扫描电镜图；
18.图5为实施例3tb2钛合金中tib晶须形貌扫描电镜图；
19.图6为实施例3基于tib晶须的tb2钛合金梯度渗层的截面形貌扫描电镜图。
具体实施方式
20.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
21.实施例1：本实施例为基于tib晶须的ta2工业纯钛梯度渗层，梯度渗层从表面至基体依次包括tib2外层、tib晶须
‑
tial3次外层、tial3层和扩散层，梯度渗层的厚度不小于100μm，表面硬度不小于2200hv，表面层与基体层的硬度差不大于500hv；
22.基于tib晶须的ta2工业纯钛的梯度渗层的制备方法，具体步骤如下：
23.(1)对ta2工业纯钛基体进行预处理，预处理方法为：纯钛依次经表面除油、去离子水清洗、砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水超声清洗，然后密封于无水乙醇中待用；
24.(2)将预处理的纯钛基体埋入渗硼剂中，密封于刚玉坩埚中，放入箱式炉内，在温度为900℃下高温渗硼处理10h，取出试样，室温冷却后置于热水中去除表面残留的渗硼剂和杂质，得到tib晶须；以质量百分数计，渗硼剂包括碳粉40％、碳酸钠10％和无定形硼粉50％；
25.(3)基于tib晶须进行渗铝，依次生成tib晶须
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tial3次外层、tial3层和扩散层；其中渗铝温度为1000℃，渗铝时间为5h，以质量百分数计，渗铝剂包括铝粉25％、氯化铵5％和三氧化二铝70％；
26.(4)表面渗硼生成tib2外层，其中渗硼温度为1000℃，渗硼时间为5h，以质量百分数计，渗硼剂包括铝粉5％、氯化钾5％、硼粉10％和无水硼砂80％；
27.本实施例得到基于tib晶须的纯钛梯度渗层，其表面硬度为2400hv，表面层与基体的硬度差为400～450hv；
28.本实施例ta2工业纯钛基体中tib晶须的形貌扫描电镜图见图1，从图1可知，tib晶须较长，显微组织中未发现tib2；
29.本实施例基于tib晶须的钛梯度渗层的截面形貌扫描电镜图见图2，从图2可知，经al
‑
b复合渗后，在ta2工业纯钛表面形成了tib2层(5μm)、tib晶须
‑
tial3层(60μm)、tial3层(25μm)和扩散层(10μm)的梯度渗层。
30.实施例2：本实施例基于tib晶须的钛合金(tc4钛合金)的梯度渗层；梯度渗层从表面至基体依次包括tib2外层、tib晶须
‑
tial3次外层、tial3层和扩散层，梯度渗层的厚度不小于100μm，表面硬度不小于2200hv，表面层与基体层的硬度差不大于500hv；
31.基于tib晶须的钛合金的梯度渗层的制备方法，具体步骤如下：
32.(1)对tc4钛合金基体进行预处理，预处理方法为：tc4钛合金依次经表面除油、去离子水清洗、砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水超声清洗，然后密封于无水乙醇中待用；
33.(2)将预处理的tc4钛合金基体埋入渗硼剂中，密封于刚玉坩埚中，放入箱式炉内，在温度为950℃下高温渗硼处理10h，取出试样，室温冷却后置于热水中去除表面残留的渗硼剂和杂质，得到tib晶须；以质量百分数计，渗硼剂包括碳粉45％、碳酸钠10％和无定形硼粉45％；
34.(3)基于tib晶须进行渗铝，依次生成tib晶须
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tial3次外层、tial3层和扩散层；其中渗铝温度为1050℃，渗铝时间为5h，以质量百分数计，渗铝剂包括铝粉30％、氯化铵5％和三氧化二铝65％；
35.(4)表面渗硼生成tib2外层，其中渗硼温度为1050℃，渗硼时间为5h，以质量百分数计，渗硼剂包括铝粉10％、氯化钾10％、硼粉10％和无水硼砂70％；
36.本实施例得到基于tib晶须的tc4钛合金梯度渗层，其表面硬度为2300hv，表面层与基体的硬度差为425～450hv；
37.本实施例tc4钛合金基体中tib晶须的形貌扫描电镜图见图3，从图3可知，tib晶须较长，显微组织中未发现tib2；
38.本实施例基于tib晶须的tc4钛合金梯度渗层的截面形貌扫描电镜图见图4，从图4可知，经al
‑
b复合渗后，在纯钛表面形成了tib2层(15μm)、tib晶须
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tial3层(65μm)、tial3层(30μm)和扩散层(15μm)的梯度渗层。
39.实施例3：本实施例基于tib晶须的钛合金(tb2钛合金)的梯度渗层；梯度渗层从表面至基体依次包括tib2外层、tib晶须
‑
tial3次外层、tial3层和扩散层，梯度渗层的厚度不小于100μm，表面硬度不小于2200hv，表面层与基体层的硬度差不大于500hv；
40.基于tib晶须的钛合金的梯度渗层的制备方法，具体步骤如下：
41.(1)对tb2钛合金基体进行预处理，预处理方法为：tc4钛合金依次经表面除油、去离子水清洗、砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水超声清洗，然后密封于无水乙醇中待用；
42.(2)将预处理的tb2钛合金基体埋入渗硼剂中，密封于刚玉坩埚中，放入箱式炉内，在温度为925℃下高温渗硼处理8h，取出试样，室温冷却后置于热水中去除表面残留的渗硼剂和杂质，得到tib晶须；以质量百分数计，渗硼剂包括碳粉35％、碳酸钠10％和无定形硼粉55％；
43.(3)基于tib晶须进行渗铝，依次生成tib晶须
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tial3次外层、tial3层和扩散层；其中渗铝温度为1050℃，渗铝时间为8h，以质量百分数计，渗铝剂包括铝粉35％、氯化铵5％和
三氧化二铝60％；
44.(4)表面渗硼生成tib2外层，其中渗硼温度为1050℃，渗硼时间为10h，以质量百分数计，渗硼剂包括铝粉8％、氯化钾10％、硼粉12％和无水硼砂70％；
45.本实施例得到基于tib晶须的tb2钛合金梯度渗层，其表面硬度为2250hv，表面层与基体的硬度差为400～430hv；
46.本实施例tb2钛合金基体中tib晶须的形貌扫描电镜图见图5，从图5可知，tib晶须较长，显微组织中未发现tib2；
47.本实施例基于tib晶须的tb2钛合金梯度渗层的截面形貌扫描电镜图见图6，从图6可知，经al
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b复合渗后，在纯钛表面形成了tib2层(8μm)、tib晶须
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tial3层(52μm)、tial3层(40μm)和扩散层(15μm)的梯度渗层。
48.上面对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种基于tib晶须的钛或钛合金的梯度渗层，其特征在于：梯度渗层从表面至基体依次包括tib2外层、tib晶须
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tial3次外层、tial3层和扩散层，梯度渗层的厚度不小于100μm，表面硬度不小于2200hv，表面层与基体层的硬度差不大于500hv。2.权利要求1所述基于tib晶须的钛或钛合金的梯度渗层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)在钛或钛合金基体中制备tib晶须；(2)基于tib晶须进行渗铝，依次生成tib晶须
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tial3次外层、tial3层和扩散层；(3)表面渗硼生成tib2外层。3.根据权利要求2所述基于tib晶须的钛或钛合金的梯度渗层的制备方法，其特征在于：tib晶须长度为40～60μm，tib晶须
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tial3次外层厚度为40～60μm，tial3层厚度为30～50μm，扩散层厚度为5～10μm，tib2外层厚度为5～20μm。
技术总结
本发明涉及一种基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法，属于表面处理技术领域。本发明基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层从表面至基体依次包括TiB2外层、TiB晶须


技术研发人员：段永华 卢耀平 王昕宇 吴影 王勇 曲德艺
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2021.03.19
技术公布日：2021/6/29