專利名稱：一種合金及金屬間化合物表面改性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫合金表面改性，特別涉及采用化學(xué)沉積法的表面改性。
背景技術(shù)：
一般而言，耐高溫材料需要在高溫時(shí)具有良好機(jī)械性能和化學(xué)性能，然而，許多耐高溫材料都無法滿足這兩方面要求。在這種情況下，通常使用表面改性的方法來提高耐高溫材料的表面化學(xué)性能。化學(xué)蒸發(fā)沉積法(CVD)是一種很好的表面改性的方法，具有成本低、后續(xù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。擠壓粘固法(PC)是CVD法的一種，正如文獻(xiàn)R.Mevrel，C.Duret and R.Pichoir，Mater.Sci.Technol.2，201(1986)所報(bào)道的，這種方法在表面改性的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，具有方便、成本低的特點(diǎn)。文獻(xiàn)H.Mabuchi et al.，ScriptaMaterialia，vol.41，1999，pp.511-516中報(bào)道，已將PC法應(yīng)用于金屬間化合物的表面改性，并且成功的提高了這種合金在高溫下的化學(xué)性能。但是，在PC法處理過程中，需要在大約20小時(shí)中保持很高的真空度。這在實(shí)際操作中往往難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檎婵斩冉?jīng)常會(huì)波動(dòng)。如果在PC法處理過程中真空度不穩(wěn)定甚至下降，改性后表層的性能將降低，例如表層會(huì)出現(xiàn)裂紋或脫落，無法保證涂層質(zhì)量，這主要是由于PC法中氧化和蒸發(fā)的相互競(jìng)爭(zhēng)造成的。這個(gè)難點(diǎn)可以通過使用高性能的儀器加以避免，但是儀器的費(fèi)用將會(huì)大幅度增加，因而材料改性的成本也會(huì)隨之增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)采用PC法進(jìn)行合金及金屬間化合物的表面改性時(shí)操作復(fù)雜，成本較高的問題，提出了在表面改性過程中，利用在生產(chǎn)用于PC法的主要粉末(PC粉末)過程中剩余的細(xì)顆粒粉末(細(xì)粉末)進(jìn)行包埋處理的方法。這種方法不僅能夠促進(jìn)表面改性層的生成，提高在高溫及室溫條件下表面的化學(xué)和機(jī)械性能，而且可以降低PC法的成本。
實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案是使用桶狀的高純度氧化鋁坩鍋?zhàn)鳛镻C處理過程中的容器，先將尺寸小于13μm的細(xì)粉末涂在坩鍋的內(nèi)表面，再將經(jīng)過在真空容器中預(yù)處理24～48小時(shí)，且尺寸為47-75μm的PC粉末置于坩鍋中；將樣品埋入PC粉末中之后，PC粉末頂部覆蓋厚約2±0.5mm的細(xì)粉末，再用一個(gè)有9-11個(gè)直徑為1±0.2mm的孔的不銹鋼盤鋪蓋在粉末上。
將裝有粉末和樣品的坩鍋以0.01～0.03K/s的升溫速率，緩慢地從室溫加熱到570～580K進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱完成后加熱速率增加到0.08～1.0K/s，控制溫度在1373-1473K內(nèi)，L12相表層的厚度為35±2μm，在1273-1323K內(nèi)厚度為13±1μm。這里，基體是具有L10結(jié)構(gòu)的TiAl合金，PC粉末是L12型Al3Ti合金。
這項(xiàng)發(fā)明的主要機(jī)理在于，在PC法處理的初始階段，細(xì)粉末用來獲取環(huán)境氣體，燒結(jié)過程之后則用作保護(hù)層，在長(zhǎng)時(shí)間PC處理過程中防止PC粉末的氧化。
通常情況下，用于PC法中制備涂層的材料粉末要比基體材料更容易氧化，但也有一些例外，例如氧化鋁。因此，在制備這種粉末時(shí)應(yīng)采用機(jī)械加工的方法，而不是化學(xué)方法，如噴霧器。機(jī)械加工出的大量剩余粉末要比PC法所用的PC粉末細(xì)，PC粉末的尺寸依賴于PC處理過程中的燒結(jié)和霧化溫度。但是，在機(jī)械加工過程中，如果不考慮尺寸問題，那些剩余粉末的數(shù)量是用于PC法的PC粉末數(shù)量的三倍甚至更多，所以細(xì)的剩余粉末很容易得到。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于圖2、3、4表明細(xì)粉末在形成L12相表層時(shí)所起的作用。未加細(xì)粉末時(shí)，如圖2，可以看到表層是一層非常薄的膜。然而，當(dāng)PC粉末上覆蓋了細(xì)粉末時(shí)，可以看到基體上生成了清晰而且厚的表層，如圖3，同時(shí)在表層的表面觀測(cè)到一排氧化鋁微粒。圖4表明當(dāng)坩堝內(nèi)表面和PC粉末上覆蓋細(xì)粉末后形成了很好的不含氧化鋁微粒的顯微結(jié)構(gòu)。利用X射線衍射法證實(shí)了基體上形成的表層是L12相。
在這項(xiàng)發(fā)明中溫度在1373-1473K內(nèi)L12相表層的厚度為35±2μm，在1273-1323K內(nèi)厚度為13±1μm。L12相表層與基體具有很好的親合力，在用銑刀切割的面上可看出，基體和L12相表層的界面上沒有裂紋，通過三點(diǎn)彎曲測(cè)試，在L12相表層沒有擇優(yōu)裂紋，另外劃痕試驗(yàn)也沒有發(fā)現(xiàn)任何表層從基體剝落。
L12相表層表現(xiàn)出結(jié)合穩(wěn)定性，在室溫→1253K(馳豫時(shí)間800s)→室溫的循環(huán)氧化過程中具有很好的保護(hù)作用，經(jīng)過12次循環(huán)氧化后，L12相表層的成分沒有變化，基體和L12相表層的界面上也觀察不到任何裂紋。
以上關(guān)于細(xì)粉末在L12相表層的形成過程中所起的作用表明，沒有必要對(duì)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所用的儀器進(jìn)行改進(jìn)。


圖1所示為經(jīng)過PC處理的樣品橫截面的顯微結(jié)構(gòu)。在不考慮樣品的拐角和平行表面時(shí)，通過PC法處理以后基體就由表層(涂層)覆蓋了。
圖2所示為未使用細(xì)粉末的PC法處理后樣品的橫截面成分變化，表層很薄。
圖3所示為用細(xì)粉末覆蓋了坩鍋頂部的PC法處理的樣品的橫截面在圖2的表層附近形成了一層厚厚的含有氧化鋁微粒的膜。
圖4所示為用細(xì)粉末將坩鍋的內(nèi)表面和頂部都覆蓋后的PC法處理的樣品的橫截面形成了一層厚厚的不含氧化鋁微粒的膜。
具體實(shí)施例方式
使用直徑為30mm高為30mm桶狀的高純度氧化鋁坩鍋?zhàn)鳛镻C處理過程中的容器。先手工將尺寸小于13μm的細(xì)粉末涂在坩鍋的內(nèi)表面，再將尺寸為47-75μm的PC粉末置于坩鍋中。將樣品埋入PC粉末中之后，PC粉末頂部覆蓋厚2mm的細(xì)粉末。此外，再用一個(gè)重20g，有9個(gè)直徑為1mm的孔的不銹鋼盤鋪蓋在粉末上。
在PC處理的準(zhǔn)備階段，將PC處理工藝所需要的粉末保存在真空容器中35小時(shí)。在PC處理的開始階段，將PC設(shè)備，即裝有粉末和樣品的坩鍋緩慢地從室溫加熱到570K，升溫速率低于0.02K/s。預(yù)熱完成后加熱速率增加到0.09K/s。這里，基體是具有L10結(jié)構(gòu)的TiAl合金，PC粉末是L12型Al3Ti合金。這些直徑小于13μm細(xì)粉末的燒結(jié)溫度在1273K。直徑為47-75μm的PC粉末與基體融合的溫度為1473K。由圖3可以看出，基體上生成了清晰而且厚的表層，L12相表層與基體具有很好的親合力，并且表層具有很好的抗氧化性。
權(quán)利要求
1.一種合金及金屬間化合物表面改性的方法，將PC處理工藝所需要的粉末保存在真空容器中24～48小時(shí)，然后裝在PC設(shè)備中，其特征在于，使用桶狀的高純度氧化鋁坩鍋?zhàn)鳛镻C處理過程中的容器，先將尺寸小于13μm的細(xì)粉末涂在坩鍋的內(nèi)表面，再將尺寸為47-75μm的PC粉末置于坩鍋中；將樣品埋入PC粉末中之后，PC粉末頂部覆蓋厚約2±0.5mm的細(xì)粉末，再用一個(gè)有9-11個(gè)直徑為1±0.2mm的孔的不銹鋼盤鋪蓋在粉末上；將裝有粉末和樣品的坩鍋以0.01～0.03K/s的升溫速率，緩慢地從室溫加熱到570～580K進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱完成后加熱速率增加到0.08～1.0K/s，控制溫度在1373-1473K內(nèi)，L12相表層的厚度為35±2μm，在1273-1323K內(nèi)厚度為13±1μm。
2.如權(quán)利要求1所述的合金及金屬間化合物表面改性的方法，其特征在于，基體是具有L10結(jié)構(gòu)的TiAl合金，PC粉末是L12型Al3Ti合金。
全文摘要
一種合金及金屬間化合物表面改性的方法，涉及高溫合金表面改性，特別涉及采用化學(xué)沉積法的表面改性，提出針對(duì)基體是具有L文檔編號(hào)C23C16/00GK1603462SQ20041000971
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者橋本健紀(jì), 高克瑋, 木村隆, 喬利杰 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)