[發明專利]一種鈦合金表面硬質層的制備方法

有效

• 申請號: 202111364856.3
• 申請日: 2021-11-17
• 公開（公告）號: CN114101680B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 范群波;申鑫雨;蘇鐵健;雷偉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B22F7/02
• 分類號: B22F7/02;B22F3/14;B22F9/04;B22F3/10;C22C14/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 付雷杰

本發明涉及一種鈦合金表面硬質層的制備方法，屬于表面處理技術領域。先將Ti粉、C粉、B粉和Ni粉混合均勻形成混合粉體，然后在模具內部按順序鋪一層混合粉體和一層鈦合金粉體，而混合粉體以及鈦合金粉體的鋪設厚度根據實際需要自行調整，之后在1100℃～1200℃的燒結溫度以及30MPa～40MPa的燒結壓力下進行熱壓燒結，熱壓燒結90min～120min后隨爐冷卻，溫度降至600℃以下時卸除壓力，在固結的鈦合金層表面形成硬質層。本發明所述方法操作簡單，普適性高，實用性強，而且鈦合金表面制備的硬質層厚度寬范圍可調且硬度大于1400HV，具有其他工藝方法無法比擬的優勢，具有很好的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種鈦合金表面硬質層的制備方法，屬于表面處理技術領域。

背景技術

鈦是一種重要的結構金屬，在20世紀50年代發展起來。鈦合金的比強度高、耐熱性好、耐腐蝕性好，比斷裂韌性高、疲勞強度和抗裂紋擴展能力好等優異的性能使其成功應用于國防軍工、航空航天、生物醫療、石油化工等眾多領域。即便如此，依舊有很多因素限制著鈦合金的應用發展，其中關鍵的一點在于鈦合金的耐磨性較差，這導致了鈦合金難以在一些復雜的環境下服役。

對于提高鈦合金耐磨性的相關研究有很多，然而這些方法或多或少的都存在著難以攻克的問題。例如：北京航空航天大學的馮樹榮等人采用激光熔覆的方法在TC4的表面熔覆了Ti、Ni、B₄C的混合粉末，制備得到的材料表面硬質層厚度有800μm左右，硬度僅達到700HV左右；北京工業大學的程文濤等人采用化學氣相沉積的方法在鈦合金表面沉積Cu/W/Mo復合涂層后，其表面硬度為649.3HV；南京航空航天大學胡巍等人采用等離子滲氮的方法來改善TC4的表面性能，表面最高硬度為1296.25HV，但其滲層深度僅為10μm。

發明內容

針對目前鈦合金表面硬質層硬度不夠高或者硬質層厚度較薄，而硬度與厚度無法兼顧的問題，本發明提供一種鈦合金表面硬質層的制備方法，將Ti粉、C粉、B粉和Ni粉按照一定比例配制的混合粉體與鈦合金粉體進行熱壓燒結，混合粉體在鈦合金表面形成的硬質層厚度可調范圍廣，而且硬度大于1400HV。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種鈦合金表面硬質層的制備方法，所述方法步驟如下：

(1)將Ti粉、C粉、B粉和Ni粉混合均勻，得到混合粉體；

其中，以所述混合粉體的總質量為100％計，則混合粉體中各粉體的質量百分數如下：Ti粉65％～68％，C粉2％～5％，B粉5％～8％以及Ni粉20％～27％；

(2)在模具內部按順序鋪一層混合粉體和一層鈦合金粉體(先鋪混合粉體再鋪鈦合金粉體，或者先鋪鈦合金粉體再鋪混合粉體，即兩種粉體鋪設的先后順序并無要求)，而混合粉體以及鈦合金粉體的鋪設厚度根據實際需要自行調整即可，之后在1100℃～1200℃的燒結溫度以及30MPa～40MPa的燒結壓力下進行熱壓燒結，熱壓燒結90min～120min后隨爐冷卻，溫度降至600℃以下時卸除壓力，在固結的鈦合金層表面形成硬質層。

進一步地，將Ti粉、C粉、B粉和Ni粉加入球磨罐中，按照8:1～10:1的球料比加入球磨珠，并加入無水乙醇，之后在200r/min～250r/min的球磨速率下球磨8h～10h，再對球磨后的混合漿料進行干燥以除去無水乙醇，得到混合粉體。

進一步地，Ti粉的粒徑為10μm～60μm；C粉的粒徑為1μm～5μm；B粉的粒徑為1μm～5μm；Ni粉的粒徑為1μm～5μm；鈦合金粉體的粒徑不大于20μm。

進一步地，以10℃/min～15℃/min的升溫速率將溫度升至1100℃～1200℃；以0.2MPa/min～0.4MPa/min的升壓速率將壓力升至30MPa～40MPa。

進一步地，混合粉體的厚度為0.5mm～4mm。