[發明專利]一種鈦合金納米復合梯度強化層的制備方法

有效

• 申請號: 202110384051.9
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113136540B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 劉靜;代燕;向慶;楊峰;姜雪婷;官敬;劉港
• 申請（專利權）人: 貴州師范大學
• 主分類號: C23C8/24
• 分類號: C23C8/24;C22F1/18
• 代理公司: 東莞市中正知識產權事務所(普通合伙) 44231
• 代理人: 徐康

本發明公開了一種鈦合金復合納米梯度強化層的制備方法，包含如下步驟：將需要處理的鈦合金試樣或工件表面進行打磨拋光處理后放入球磨罐中，加入直徑為0.1?20 mm的鎢鋼球或陶瓷球，球料比為5:1?30:1；然后反復向罐內通入0.1 MPa的氬氣并抽真空以驅趕和排除罐內空氣，接著向球磨罐中通入0.01?1 MPa的氮氣，最后放入球磨機，采用100?1200 r/min的轉速進行球磨。其核心是采用機械球磨結合表層合金化的方式對鈦合金進行表層強化處理，獲得具有高硬度、高強度及高致密性的納米晶甚至非晶表面組織，并且形成成分、硬度、晶粒度、缺陷密度、殘余應力等均隨深度呈梯度變化的梯度強化組織，在不改變心部強塑性的前提下改善鈦合金的表面特性，并大幅度提高其使用性能。

技術領域

本發明涉及納米功能材料的合成技術領域，具體為一種鈦合金納米復合梯度強化層的制備方法。

背景技術

鈦合金具有高的比強度、耐腐蝕性極好、耐高溫以及良好的生物相容性等優點，廣泛應用于機械、能源、石油化工、航空航天和生物工程等領域。但鈦合金表面硬度不高，耐磨性及耐疲勞性能差，極易和其他的金屬材料發生粘著磨損等缺點，因而其使用范圍收到了極大的限制。

現行獲得梯度強化層的技術主要為單一強化，比如在機械表層強化方面：有表層機械磨損（SMAT）、超聲滾壓、高壓水射流、高能噴丸等技術；而在表層合金化方面：主要有化學熱處理、激光表面熔覆、等離子表面處理等；在梯度相變強化方面：只要采取激光、感應加熱、火焰加熱及離子束等快速表面熱處理技術。

但這些技術都存在不同程度的缺點，對于鈦合金而言，其耐磨性較差，鈦合金塑形差，抗性變能力不足，傳統機械強化容易產生裂變等缺陷，易對其疲勞性能產生負面形象；鈦合金表面的致密鈍化膜也會讓合金化技術變得困難，而鈦在高溫下活潑的性質又要求必須對其進行嚴密的防氧化保護處理；在相變方面，第一，鈦合金相變強化效應較弱，第二，其組織熱穩定性一般也比較差，易產生組織粗大、偏析等問題，也不適于單獨采用熱處理技術對其進行強化。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有的缺陷，提供一種鈦合金納米復合梯度強化層的制備方法，其核心是采用機械球磨結合表層合金化的方式對鈦合金進行表層強化處理，獲得具有高硬度、高強度及高致密性的納米晶甚至非晶表面組織，并且在成分、硬度、晶粒度、缺陷密度、殘余應力等均隨深度呈梯度變化的梯度強化組織，在不改變心部強塑性的前提下改善鈦合金的表面特性，并大幅度提高其使用性能，可以有效解決背景技術中的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種鈦合金納米復合梯度強化層的制備方法，其特征在于：（該鈦合金復合梯度強化層制備方法）包含如下步驟：

1）將不大于20mm的軸對稱醫用TAI合金試樣打磨拋光并清洗吹干，處理前先測試合計表面粗糙度、尺寸及重量以便于球磨后的指標進行對比；

2）將完成上述測量的鈦合金試樣分別放入兩只帶氣體閥門的研磨罐中，并分別加入鎢鋼球，封閉球磨罐；

3）接著用氬氣對球磨罐進行洗氣處理，然后向球磨罐A中通入氬氣作保護氣氛，球磨罐B中通入氮氣；

4）然后將球磨罐置于行星式球磨機上，以200-500r/min的轉速單向反轉球磨5-10h，即可在鈦合金表層制備出細晶強化層。

進一步的，步驟2中所述的鎢鋼球的尺寸分別為φ12-14mm、φ8-10mm、φ5-7mm、φ2-4mm。所述鎢鋼球φ12-14mm的數量為5-25顆，所述鎢鋼球φ8-10mm的數量為8-10顆，所述鎢鋼球φ5-7mm的數量為10-20顆，所述鎢鋼球φ2-4mm的數量為50-80顆。

進一步的，所述鎢鋼球φ10mm的數量為5-25顆，所述鎢鋼球φ8mm的數量為8-10顆，所述鎢鋼球φ5mm的數量為10-20顆，所述鎢鋼球φ2mm的數量為50顆。