專利名稱：一種在tc4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦合金表面處理領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金是上世紀(jì)五十年代興起的一種重要結(jié)構(gòu)材料。純鈦是輕金屬，密度為
4.52g/cm3，鈦在地殼里的分布范圍比較廣泛，世界儲(chǔ)量約34億噸，在所有元素中含量居第10位。鈦合金是以鈦為基材加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體882°C以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882°C以上為體心立方的β鈦。合金元素根據(jù)它們對(duì)相變溫度的影響可分為三類①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素，有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對(duì)提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素，又可分同晶型和共析型兩種。前者有鑰、鈮、釩等，后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。③對(duì)相變溫度影響不大的元素為中性兀素，有錯(cuò)、錫等。鈦及鈦合金具有一系列優(yōu)點(diǎn)，比如強(qiáng)度高，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能好，工作溫度范圍較寬，中溫性能穩(wěn)定，主要應(yīng)用于航空航天和軍事工業(yè)上，同時(shí)在化工、石油、輕工、冶金、電力、體育、醫(yī)療等許多工業(yè)部門(mén)也有著廣泛的應(yīng)用。但是，鈦合金耐磨性能差，600°C以上的抗氧化性能差，這些問(wèn)題使鈦金屬及其合金的應(yīng)用受到限制，因此也成為材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一(張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2005.)。研究表明，表面改性處理是克服上述鈦合金缺陷的關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用較多的提高鈦合金抗氧化和耐磨性能的表面改性技術(shù)有電鍍、薄膜沉積改性、擴(kuò)散滲鋁、離子注入、激光表面處理和雙層輝光離子滲金屬等。其中，雙層輝光離子滲金屬技術(shù)具有滲速快、滲層與基體為冶金結(jié)合、結(jié)合強(qiáng)度高、滲層厚度和成分可控、滲材選擇面廣、節(jié)約合金元素、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)已成功地在TC4、TCll鈦合金表面形成了 Ti-Cu，Ti-Mo, Ti-Cr, Ti-Cr-Mo系列阻燃合金，具有一定的阻燃效果；同時(shí)對(duì)鈦合金表面進(jìn)行滲氧、滲鑰、滲氮、滲碳、滲鉻以及復(fù)合Mo-N共滲、碳氮共滲等,結(jié)果表明均能大大提高了鈦合金表面硬度，改善其耐磨性。但是目前利用雙層輝光滲金屬技術(shù)通過(guò)在鈦合金表面滲鈷來(lái)提高鈦合金的高溫抗氧化性以及進(jìn)一步確定進(jìn)行該過(guò)程的工藝參數(shù)條件以使?jié)B層效果最佳的研究報(bào)道甚少。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的鈦合金耐磨性能差，600°C以上的抗氧化性能差的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法,它可以確定在鈦合金表面滲鈷的最佳工藝參數(shù)，以提高鈦合金的耐磨性及高溫抗氧化性。
技術(shù)方案 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法，其步驟為
(1)將TC4合金切割成試樣后，用砂紙打磨試樣表面，再用金剛石研磨膏拋光至鏡面；
(2)雙層輝光等離子滲金屬爐的源極材料采用Stellite6號(hào)鈷基合金板，將潔凈的TC4鈦合金試樣安放在該雙層輝光等離子滲金屬爐真空室內(nèi)的陰極工作臺(tái)上，安裝好保溫罩(輔助陰極)，再調(diào)節(jié)源極圈與試樣的間距至預(yù)設(shè)值，然后降下鐘罩，封閉真空室；
(3)其次，打開(kāi)真空泵，將爐內(nèi)抽到極限真空度(2.0X10_3Pa)，充入氬氣到15_19Pa重新抽到極限真空度，如此往復(fù)4飛次，以排盡爐內(nèi)空氣；
(4)充入IS氣到15_19Pa,打開(kāi)冷卻水,打開(kāi)試樣電源并施加350 450V電壓,對(duì)試樣進(jìn)行12 15min的預(yù)轟擊，一方面對(duì)試樣進(jìn)行清洗，另一方面活化試樣表面以便于活性原子的吸附；
(5)預(yù)轟擊之后調(diào)至工作氣壓，將源極和陰極電壓調(diào)整到預(yù)定值，使試樣和源極達(dá)到工作溫度，穩(wěn)定各工藝參數(shù)并開(kāi)始保溫，計(jì)時(shí)，每隔IO-Hmin觀察設(shè)備運(yùn)行情況及試樣狀況；
(6)保溫1-2.5小時(shí)后，關(guān)閉源極電源，將氣壓調(diào)至18 20Pa，將陰極電壓降到250 280V，微輝保護(hù)降溫；
(7)關(guān)閉氣源和陰極電源，將爐內(nèi)再次抽到極限真空度，冷卻1-1.Sh到室溫出爐。優(yōu)選地，所述的步驟(2)中，所述的雙層輝光等離子滲金屬爐的源-陰極間距為18mm。優(yōu)選地，所述的步驟(6)中的保溫時(shí)間為2h。優(yōu)選地，所述的步驟(5)中的保溫溫度為80(T850°C。優(yōu)選地，本發(fā)明的滲金屬滲具采用雙層保溫圈洞穴法布置，陰極和源極的負(fù)輝區(qū)相互重疊，從而產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)。所述步驟(5)中，該源極電壓為86(T880V，陰極電壓為36(T380V。有益效果
相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)本發(fā)明的方法步驟中，其源-陰極間距選定為18_，這是數(shù)次實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，這樣的間距設(shè)置有利于產(chǎn)生雙層輝光等離子滲金屬過(guò)程的不等電位空心陰極效應(yīng)。當(dāng)極間距增大，負(fù)輝區(qū)重疊程度降低，不等電位空心陰極效應(yīng)削弱，電流放大作用衰減，源極電流密度下降，源極濺射總量減少，因而導(dǎo)致試件表面合金元素沉積速度下降，使?jié)B入速度減緩。若兩極間距離過(guò)近，源極與工件極之間的空心陰極效應(yīng)過(guò)于強(qiáng)烈，兩極表面因?yàn)闇囟忍叨a(chǎn)生熱電子發(fā)射，導(dǎo)致陰極位降急劇降低，反而使濺射總量更少，滲層厚度降低。另外，由于距離太近，不能滿足輝光放電條件，還可能導(dǎo)致輝光熄滅；
(2)本發(fā)明的方法，其陰極電壓在36(T380V。在滲金屬過(guò)程中，陰極電壓是不等電位空心陰極效應(yīng)形成和滲金屬溫度的保證，陰極電壓自身濺射對(duì)金屬勢(shì)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，陰極電壓越高，陰極(試樣)濺射就越厲害，工作表面的金屬勢(shì)就會(huì)大幅度下降，使得在工作表面吸附的溶質(zhì)原子的濃度下降，這樣陰極濺射可以看作是對(duì)源極濺射產(chǎn)生活性原子的“負(fù)過(guò)程”，對(duì)源極濺射作用進(jìn)行抵消。因此，在保證不等電位空心陰極效應(yīng)、工作溫度和預(yù)轟擊的條件下，應(yīng)盡量降低工作陰極電壓，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陰極電壓設(shè)置在36(T380V為最佳條件；
(3)本發(fā)明的方法，源極電壓為85(T900V。在雙層輝光等離子輝滲金屬爐中，源極的主要作用是提供預(yù)滲的合金元素。氬氣原子在源極電場(chǎng)的作用下發(fā)生電離，并向源極運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致高能的氬氣離子流轟擊源極表面發(fā)生濺射，產(chǎn)生氣態(tài)的中性金屬原子提供預(yù)滲合金元素。氣體離子和原子流對(duì)源極表面的轟擊能量正比于源極電位，即正比于放電電壓。源極濺射是入射粒子流與源極表面原子之間能量交換的結(jié)果，入射粒子能量越高，產(chǎn)生的濺射粒子越多。因此，源極電壓升高，源極電場(chǎng)變強(qiáng)，粒子轟擊能量增大。同時(shí)隨著源極電壓的升高，氣體的電離率也增加。二者的綜合作用結(jié)果，使源極的濺射總量增加，試樣表面獲得更多的欲滲元素原子，這就易于在試樣表面形成較高的表面濃度，從而促進(jìn)合金元素的擴(kuò)散，加速了滲層的形成，同時(shí)提高滲層的合金濃度和厚度。因此，隨著源極電壓的升高，滲層合金濃度、厚度均呈上升趨勢(shì)。在條件允許的條件下應(yīng)該盡可能提高源極電壓。但是從電源的穩(wěn)定性考慮，源極電壓不能太高。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)嘗試，源極電壓控制在85(T900V最佳；
(4)本發(fā)明的滲金屬具采用雙層保溫圈洞穴法布置，陰極和源極的負(fù)輝區(qū)相互重疊，從而產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)。一方面極大地提高了源極濺射強(qiáng)度、欲滲元素供應(yīng)量和供應(yīng)效率 ’另一方面也提高了陰極的加熱和活化效率。與吊掛法相比，洞穴法有明顯的優(yōu)勢(shì)，熱效率高，滲速快，滲層致密均勻；
(5)本發(fā)明的方法針對(duì)TC4鈦合金硬度低、耐磨性差、高溫抗氧化性差等缺點(diǎn)，利用雙層輝光等離子滲金屬技術(shù)在鈦合金表面形成足夠厚度并且合金元素呈梯度分布的鈷基合金層，提高了鈦合金耐磨性能和高溫抗氧化性能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。實(shí)施例I
本實(shí)施例I的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法,其步驟為
(1)將TC4合金切割成25mm X 30 mm X 6mm大小的試樣后,用砂紙打磨試樣表面,再用金剛石研磨膏拋光至鏡面；
(2)雙層輝光等離子滲金屬爐的源極材料采用尺寸為100mmx 100mm x 5mm的Stellite 6號(hào)鈷基合金板,將潔凈的TC4鈦合金試樣安放在該雙層輝光等離子滲金屬爐真空室內(nèi)的陰極工作臺(tái)上，安裝好保溫罩(輔助陰極)，再調(diào)節(jié)源極圈與試樣的間距至預(yù)設(shè)值，然后降下鐘罩，封閉真空室；所述的雙層輝光等離子滲金屬爐的源-陰極間距為18mm。滲金屬滲具采用雙層保溫圈洞穴法布置，陰極和源極的負(fù)輝區(qū)相互重疊，從而產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)。(3)其次，打開(kāi)真空泵，將爐內(nèi)抽到極限真空度(2. OX I(T3Pa),充入氬氣到16Pa重新抽到極限真空度，如此往復(fù)5次，以排盡爐內(nèi)空氣；
(4)充入氬氣到17Pa，打開(kāi)冷卻水，打開(kāi)試樣電源并施加400V電壓，對(duì)試樣進(jìn)行14min的預(yù)轟擊，一方面對(duì)試樣進(jìn)行清洗，另一方面活化試樣表面以便于活性原子的吸附；
(5)預(yù)轟擊之后調(diào)至工作氣壓，將源極和陰極電壓調(diào)整到預(yù)定值，該源極電壓為870V，陰極電壓為370V。使試樣和源極達(dá)到工作溫度，穩(wěn)定各工藝參數(shù)并開(kāi)始保溫，保溫溫度為8400C。計(jì)時(shí)，每隔12min觀察設(shè)備運(yùn)行情況及試樣狀況；(6)保溫2小時(shí)后，關(guān)閉源極電源，將氣壓調(diào)至19Pa，將陰極電壓降到270V，微輝保護(hù)降
溫；
(7)關(guān)閉氣源和陰極電源，將爐內(nèi)再次抽到極限真空度，冷卻I.5h到室溫出爐。本實(shí)施例I的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，滲層厚度約為20 μ m。實(shí)施例2
本實(shí)施例2的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法，其步驟為
(1)將TC4合金切割成30mm X 30 mm X 5mm大小的試樣后,用砂紙打磨試樣表面,再用金剛石研磨膏拋光至鏡面；
(2)雙層輝光等離子滲金屬爐的源極材料采用尺寸為100mmx 90mm x 5mm的Stellite 6號(hào)鈷基合金板,將潔凈的TC4鈦合金試樣安放在該雙層輝光等離子滲金屬爐真空室內(nèi)的陰極工作臺(tái)上，安裝好保溫罩(輔助陰極)，再調(diào)節(jié)源極圈與試樣的間距至預(yù)設(shè)值，然后降下鐘罩，封閉真空室；所述的雙層輝光等離子滲金屬爐的源-陰極間距為18mm。滲金屬滲具采用雙層保溫圈洞穴法布置，陰極和源極的負(fù)輝區(qū)相互重疊，從而產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)。(3)其次，打開(kāi)真空泵，將爐內(nèi)抽到極限真空度(2. OX 10_3Pa)，充入氬氣到15Pa重新抽到極限真空度，如此往復(fù)4次，以排盡爐內(nèi)空氣；
(4)充入氬氣到15Pa，打開(kāi)冷卻水，打開(kāi)試樣電源并施加350V電壓,對(duì)試樣進(jìn)行12min的預(yù)轟擊，一方面對(duì)試樣進(jìn)行清洗，另一方面活化試樣表面以便于活性原子的吸附；
(5)預(yù)轟擊之后調(diào)至工作氣壓，將源極和陰極電壓調(diào)整到預(yù)定值，該源極電壓為860V，陰極電壓為360V。使試樣和源極達(dá)到工作溫度，穩(wěn)定各工藝參數(shù)并開(kāi)始保溫，保溫溫度為SOO0C。計(jì)時(shí)，每隔IOmin觀察設(shè)備運(yùn)行情況及試樣狀況；
(6)保溫I小時(shí)后，關(guān)閉源極電源，將氣壓調(diào)至18Pa，將陰極電壓降到250V，微輝保護(hù)降
溫；
(7)關(guān)閉氣源和陰極電源，將爐內(nèi)再次抽到極限真空度，冷卻Ih到室溫出爐。本實(shí)施例2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，滲層厚度約為23 μ m。實(shí)施例3
本實(shí)施例3的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法，其步驟為
(1)將TC4合金切割成30mm X 25 mm X 5mm大小的試樣后,用砂紙打磨試樣表面,再用金剛石研磨膏拋光至鏡面；
(2)雙層輝光等離子滲金屬爐的源極材料采用尺寸為80mmx 100mm x 8mm的Stellite 6號(hào)鈷基合金板,將潔凈的TC4鈦合金試樣安放在該雙層輝光等離子滲金屬爐真空室內(nèi)的陰極工作臺(tái)上，安裝好保溫罩(輔助陰極)，再調(diào)節(jié)源極圈與試樣的間距至預(yù)設(shè)值，然后降下鐘罩，封閉真空室；所述的雙層輝光等離子滲金屬爐的源-陰極間距為18mm。滲金屬滲具采用雙層保溫圈洞穴法布置，陰極和源極的負(fù)輝區(qū)相互重疊，從而產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)。(3)其次，打開(kāi)真空泵，將爐內(nèi)抽到極限真空度(2. OX I(T3Pa),充入氬氣到19Pa重新抽到極限真空度，如此往復(fù)6次，以排盡爐內(nèi)空氣；
(4)充入氬氣到19Pa，打開(kāi)冷卻水，打開(kāi)試樣電源并施加450V電壓，對(duì)試樣進(jìn)行15min的預(yù)轟擊，一方面對(duì)試樣進(jìn)行清洗，另一方面活化試樣表面以便于活性原子的吸附；(5)預(yù)轟擊之后調(diào)至工作氣壓，將源極和陰極電壓調(diào)整到預(yù)定值，該源極電壓為880V，陰極電壓為380V。使試樣和源極達(dá)到工作溫度，穩(wěn)定各工藝參數(shù)并開(kāi)始保溫，保溫溫度為8500C。計(jì)時(shí)，每隔14min觀察設(shè)備運(yùn)行情況及試樣狀況；
(6)保溫2.5小時(shí)后，關(guān)閉源極電源，將氣壓調(diào)至20Pa，將陰極電壓降到280V，微輝保護(hù)降溫；
(7)關(guān)閉氣源和陰極電源，將爐內(nèi)再次抽到極限真空度，冷卻I.Sh到室溫出爐。本實(shí)施例3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，滲層厚度約為25 μ m。以上示意性地對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒(méi)有限制性，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的實(shí)施例，均應(yīng)屬于本專利的保護(hù)范圍?！?br> 權(quán)利要求
1.一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法,其步驟為(1)將TC4合金切割成試樣后，用砂紙打磨試樣表面，再用金剛石研磨膏拋光至鏡面；(2)雙層輝光等離子滲金屬爐的源極材料采用Stellite6號(hào)鈷基合金板，將潔凈的 TC4鈦合金試樣安放在該雙層輝光等離子滲金屬爐真空室內(nèi)的陰極工作臺(tái)上，安裝好保溫罩，再調(diào)節(jié)源極圈與試樣的間距至預(yù)設(shè)值，然后降下鐘罩，封閉真空室；(3)其次，打開(kāi)真空泵，將爐內(nèi)抽到極限真空度，充入氬氣到15-19Pa，再重新抽到極限真空度,如此往復(fù)4飛次，以排盡爐內(nèi)空氣；(4)充入IS氣到15_19Pa,打開(kāi)冷卻水,打開(kāi)試樣電源并施加350 450V電壓,對(duì)試樣進(jìn)行12 15min的預(yù)轟擊，一方面對(duì)試樣進(jìn)行清洗，另一方面活化試樣表面以便于活性原子的吸附；(5)預(yù)轟擊之后調(diào)至工作氣壓，將源極和陰極電壓調(diào)整到預(yù)定值，使試樣和源極達(dá)到工作溫度，穩(wěn)定各工藝參數(shù)并開(kāi)始保溫，計(jì)時(shí)，每隔IO-Hmin觀察設(shè)備運(yùn)行情況及試樣狀況；(6)保溫1-2.5小時(shí)后，關(guān)閉源極電源，將氣壓調(diào)至18 20Pa，將陰極電壓降到 25CT280V，微輝保護(hù)降溫；(7)關(guān)閉氣源和陰極電源，將爐內(nèi)再次抽到極限真空度，冷卻1-1.Sh到室溫出爐。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法,其特征在于， 所述的步驟(2)中，所述的雙層輝光等離子滲金屬爐的源-陰極間距為18_。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法,其特征在于，所述的步驟(6)中的保溫時(shí)間為2h。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法,其特征在于， 所述的步驟(5)中的保溫溫度為80(T85(TC。
5.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法,其特征在于，本發(fā)明的滲金屬滲具采用雙層保溫圈洞穴法布置，陰極和源極的負(fù)輝區(qū)相互重疊，從而產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法,其特征在于，所述步驟(5)中，該源極電壓為86CT880V，陰極電壓為36CT380V。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在TC4鈦合金表面制備鈷基合金層的方法，屬于鈦合金表面處理領(lǐng)域。其步驟為(1)準(zhǔn)備試樣；(2)將試樣置于爐內(nèi)工作臺(tái)上，封閉真空室；(3)打開(kāi)真空泵，將爐內(nèi)抽到極限真空度，充入氬氣再重新抽到極限真空度，如此往復(fù)4~6次；(4)充入氬氣到15-19Pa，打開(kāi)冷卻水，打開(kāi)試樣電源并施加電壓，對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)轟擊；(5)預(yù)轟擊之后調(diào)至工作氣壓，將源極和陰極電壓調(diào)整到預(yù)定值開(kāi)始保溫；(6)保溫1-2.5小時(shí)后，關(guān)閉源極電源，將氣壓調(diào)至18~20Pa，將陰極電壓降到250~280V，微輝保護(hù)降溫；(7)關(guān)閉氣源和陰極電源，將爐內(nèi)再次抽到極限真空度，冷卻出爐。本方法可以確定在鈦合金表面滲鈷的最佳工藝參數(shù)，以提高鈦合金的高溫抗氧化性。
文檔編號(hào)C23C14/38GK102936716SQ201210437199
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者高金菊 申請(qǐng)人:高金菊