一種對鈦合金進(jìn)行表面改性的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種對鈦合金進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于采用如下步驟：a、電爆炸處理，用合金的金屬粉末作為陰極，對鈦合金表面進(jìn)行電爆炸處理，以實(shí)現(xiàn)鈦箔表面的合金化；b、強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理，對合金化后的鈦箔表面通過強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理進(jìn)行改性，以獲得金屬陶瓷改性層；本發(fā)明鈦箔表面經(jīng)過本發(fā)明的改性處理，表面改性層具有多層結(jié)構(gòu)、多種相組成及微納米結(jié)構(gòu)，并伴隨著鈦及釔的氧化物與碳化物生成。在表面形成的金屬陶瓷層有利于提高顯微硬度，降低摩擦系數(shù)及磨損率。
【專利說明】
-種對鐵合金進(jìn)行表面改性的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，具體說設(shè)及一種對鐵合金進(jìn)行表面改性的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于鐵合金具有低密度、高比強(qiáng)度、良好的機(jī)械性能W及耐腐蝕性能，近年來得到 越來越廣泛地應(yīng)用，已從航空航天領(lǐng)域逐步推廣到汽車、化工、電力、生物醫(yī)用W及海水淡 化產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。
[0003] 鐵合金因具有眾多優(yōu)異的性能而得到了廣泛的應(yīng)用，然而鐵合金也有其優(yōu)缺點(diǎn)。 其主要缺點(diǎn)是表面硬度低、耐磨性差，鐵合金的硬度通常不超過350HV，在很多情況下運(yùn)樣 的硬度值不能滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的要求。例如，當(dāng)用作滑動部件時，易與其他材料發(fā)生粘著 磨損，運(yùn)就嚴(yán)重地限制了其應(yīng)用范圍。因此如何，提高鐵合金表面的硬度W及降低摩擦磨損 率成為了鐵合金表面改性的首要任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中鐵合金表面硬度低、耐磨性差的難題，提供一種對鐵 合金表面進(jìn)行改性的方法，W提高鐵合金表面的硬度同時降低磨損率。
[0005] 針對W上問題，提供了如下技術(shù)方案:一種對鐵合金進(jìn)行表面改性的方法，其特征 在于采用如下步驟：
[0006] a.電爆炸處理，對鐵合金表面進(jìn)行電爆炸處理，稀±錠粉末作為陰極，電爆炸處理 的工藝參數(shù)是:射流軸線吸收功率密度3-8GW/m2，等離子體作用時間為50-150ys，工作腔中 氣體殘余壓力為70-170化，實(shí)現(xiàn)鐵錐表面的合金化，得到Y(jié)-Ti合金層，Y-Ti合金層由外向內(nèi) 包括富集鐵的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)層，富集錠的柱狀結(jié)構(gòu)層及富集鐵的樹突狀結(jié)構(gòu)層；
[0007] b.強(qiáng)流脈沖電子束福照處理，對合金化后的鐵錐表面通過強(qiáng)流脈沖電子束福照處 理進(jìn)行改性，其工藝參數(shù)是：電子能量18kev，電子束能量密度20-70J/cm2，脈沖次數(shù)為2-6 次，脈沖時間為100-30化S，頻率為0.2-0.細(xì)Z，W獲得金屬陶瓷改性層：
[000引上述步驟a、b在真空狀態(tài)下完成的。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為，所用的鐵錐為工業(yè)純鐵VT1-0。
[0010] 本發(fā)明的有益效果：
[0011] 1、傳統(tǒng)工藝相比，電爆炸合金化過程中金屬在短時間內(nèi)經(jīng)歷了固、液、汽W及等離 子體多個狀態(tài)，在液態(tài)金屬快速汽化過程中金屬導(dǎo)電性的喪失、金屬蒸汽被電擊穿引發(fā)的 自由電子數(shù)的增長W及該過程中伴隨的電磁轄射和沖擊波的形成，導(dǎo)致合金層與基體快速 達(dá)到原子級結(jié)合，冷卻速度快，結(jié)晶層細(xì)密可達(dá)到納米級。電子束表面改性工藝具有能量利 率高、清潔、處理方式靈活、重復(fù)性好和工件變形小等優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)流脈沖電子束還具作用時間 短，能量容易控制等特點(diǎn)，可獲較深的改性層，同時由于電子束能量瞬間沉積在材料表面， 可引發(fā)快速烙凝、蒸發(fā)、應(yīng)力波、增強(qiáng)擴(kuò)散等效應(yīng)，進(jìn)而使材料表面結(jié)構(gòu)和性能得到改善，兩 種方法的復(fù)合可大大提高敷層的性能和結(jié)構(gòu)，獲得具有多層次結(jié)構(gòu)的復(fù)合金屬層，提高表 層金屬的特殊物理化學(xué)性能，如耐腐蝕、耐高溫性能等；
[0012] 2、經(jīng)本發(fā)明的改性處理后，鐵合金表面改性層具有多層結(jié)構(gòu)的Y-Ti合金層，Y-Ti 合金層（由外向內(nèi)包括富集鐵的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)層，富集錠的柱狀結(jié)構(gòu)層及富集鐵的樹突狀結(jié) 構(gòu)層）、多種相組成及微納米結(jié)構(gòu)，Y-Ti合金層由外向內(nèi)包括富集鐵的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)層，富集 錠的柱狀結(jié)構(gòu)層及富集鐵的樹突狀結(jié)構(gòu)層，脈沖電子束福照處理，生成鐵及錠的氧化物與 碳化物。在表面形成的金屬陶瓷層有利于減少摩擦系數(shù)（7倍W上）及降低磨損率（3倍W 上）。改性層的厚度為60μπι，顯微硬度提高了 3倍W上。因此，采用本發(fā)明的改性方法，將能提 高鐵合金的耐磨性能。
[0013] 3、利用強(qiáng)流脈沖電子束對材料進(jìn)行表面改性相比脈沖離子束具有W下優(yōu)點(diǎn)：在同 樣的加速電壓下，電子束的射程要比離子束的射程大很多，運(yùn)對于增加改性層厚度是非常 有益的;此外電子束裝置簡單、穩(wěn)定性高、電子束引出和控制相對容易。與脈沖激光束相比， 電子束材料表面改性在真空狀態(tài)下進(jìn)行，運(yùn)樣就可W避免材料在處理時被污染或者高溫氧 化，而且電子束福照金屬樣品時能量反射問題較小，材料成分和表面形態(tài)對能量吸收率的 影響比較小。同傳統(tǒng)工藝相比，電子束表面改性工藝具有能量利率高、清潔、處理方式靈活、 重復(fù)性好和工件變形小等優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)流脈沖電子束還具作用時間短，能量容易控制等特點(diǎn)，可 獲較深的改性層，同時由于電子束能量瞬間沉積在材料表面，可引發(fā)快速烙凝、蒸發(fā)、應(yīng)力 波、增強(qiáng)擴(kuò)散等效應(yīng)，進(jìn)而使材料表面結(jié)構(gòu)和性能得到改善。材料表面在高能量的電子束的 作用下會發(fā)生固態(tài)相變。如果把運(yùn)些合金元素或化合物粉末預(yù)涂覆在材料的表面，然后用 電子束轟擊處理，便可使金屬表面形成新的合金層，而且新的合金層的成分和組織與原來 金屬材料完全不同。利用強(qiáng)流脈沖電子束進(jìn)行表面合金化處理存在兩個特點(diǎn)：一、能在材料 表而進(jìn)行各種元素的合金化，進(jìn)而使材料的表面性能得到提高;二、可對零件進(jìn)行有針對性 的局部處理，即僅使零件需要強(qiáng)化的部位的硬度、耐腐燭性、耐磨性、耐高溫氧化性等性能 得到提高。
[0014] 4、稀±元素錠是表面活性元素，在鐵合金中添加稀±元素，可W起到細(xì)化晶粒，提 高室溫和高溫強(qiáng)度、顯微硬度和疲勞強(qiáng)度，同時改善熱穩(wěn)定性能。
【附圖說明】
[0015] 圖la、圖化分別為本發(fā)明鐵合金表面改性方法的步驟示意圖；
[0016] 圖2鐵合金表面改性層及鐵合金層的在不同標(biāo)尺下的顯微結(jié)構(gòu)圖（其中 為改性層，分別對應(yīng)富集鐵的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)層、富集錠的柱狀結(jié)構(gòu)層及富集鐵的樹突狀結(jié)構(gòu) 層，IV為鐵合金層）；
[0017] 圖3是鐵合金表面改性層磨損率V(曲線1)和摩擦系數(shù)μ(曲線2)隨強(qiáng)流脈沖電子束 能量密度Es的變化趨勢圖；
[0018] 圖4是鐵合金表面改性層中各層的顯微結(jié)構(gòu)圖（a-c為改性層結(jié)構(gòu)圖，d為距表層化 m的結(jié)構(gòu)圖，e為距表層25皿的結(jié)構(gòu)圖）；
[0019] 圖5a是鐵合金表面改性層能譜分析的取點(diǎn)圖，圖5b為改性層中各點(diǎn)處鐵、錠元素 相對含量的能譜分析圖，圖5c為不同取點(diǎn)位置鐵、錠元素相對含量分布數(shù)據(jù)表。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。W下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0021] 實(shí)施例1:
[0022] 如圖1及圖2所述，一種對鐵合金進(jìn)行表面改性的方法，鐵錐采用工業(yè)純鐵VT1-0， 先用電爆炸技術(shù)對鐵錐表面進(jìn)行合金化處理，錠金屬粉末為陰極。電爆炸工藝參數(shù)是:射流 軸線處吸收功率密度5.5GW/m2,等離子體作用時間為lOOys，工作腔中氣體殘余壓力為 lOOPa。再用強(qiáng)流脈沖電子束福照技術(shù)對合金化后的鐵錐表面進(jìn)行改性的工藝參數(shù)是：電子 能量18kev，電子束能量密度50J/cm2，脈沖次數(shù)為3次，脈沖時間為15化S，頻率為0.3Hz，上 述的兩步驟是在真空狀態(tài)下完成的。
[0023] 如圖2所示，鐵合金表面改性層及鐵合金層的在不同標(biāo)尺下的顯微結(jié)構(gòu)圖，其中I、 Π 、ΙΠ 為改性層，分別對應(yīng)富集鐵的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)層、富集錠的柱狀結(jié)構(gòu)層及富集鐵的樹突 狀結(jié)構(gòu)層，IV為鐵合金層。
[0024] 如圖3所示，對鐵合金表面改性層進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，曲線1表示在不同強(qiáng)流脈沖 電子束能量密度Es的情況下磨損率V的變化曲線，其中虛線部分為改性前的磨損率V;曲線2 表示在不同強(qiáng)流脈沖電子束能量密度Es的情況下摩擦系數(shù)μ的變化曲線，其中虛線部分為 改性前的摩擦系數(shù)μ。
[0025] 如圖4所示，使用掃描電鏡及透射電鏡對改性層進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性層可分 為Ξ層，表層為500nm厚的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)層，從該衍射層獲得了兩個具有寬擴(kuò)散衍射環(huán)的圖 案，在富集鐵的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)層下面為1.0-1.5μπι厚的柱狀(層狀)結(jié)構(gòu)層，在該層下面為樹突 狀結(jié)構(gòu)層，厚度約為5祉m。
[0026] 使用X射線能譜分析了改性層的元素分布，結(jié)果如圖5所示，參考取點(diǎn)圖位置對應(yīng) 的鐵、錠元素相對含量的能譜分析圖，表層的無定形層富集鐵(取點(diǎn)位置1-4)，柱狀(層狀） 結(jié)構(gòu)層富集錠(取點(diǎn)位置5-9)，樹枝狀(球狀)結(jié)構(gòu)層富集鐵(取點(diǎn)位置10)。改性層的金屬陶 瓷成分主要為Y2Ti〇5，Y2Ti2〇7和Y2Ti〇3，可提高鐵合金表層的硬度值，（未合金化之前鐵的顯 微硬度為2G化）。
[0027] 經(jīng)過多組實(shí)施例得知，不同電子束能量密度Es福照下鐵合金改性層的顯微硬度值 (表 1)。
[002引表1:
[0029]
?0030]W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和變型，上述假設(shè)的運(yùn)些 改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種對鈦合金進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于采用如下步驟： a、 電爆炸處理，對鈦合金表面進(jìn)行電爆炸處理，稀土紀(jì)粉末作為陰極，電爆炸處理的工 藝參數(shù)是:射流軸線吸收功率密度3-8GW/m 2，等離子體作用時間為50-150ys，工作腔中氣體 殘余壓力為70_170Pa，實(shí)現(xiàn)鈦箱表面的合金化，得到Y(jié)-Ti合金層，Y-Ti合金層由外向內(nèi)包括 富集鈦的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)層，富集釔的柱狀結(jié)構(gòu)層及富集鈦的樹突狀結(jié)構(gòu)層； b、 強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理，對Y-Ti合金層通過強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理進(jìn)行改性， 其工藝參數(shù)是：電子能量18kev，電子束能量密度20-70J/cm 2,脈沖次數(shù)為2-6次，脈沖時間 為100-300ys，頻率為0.2-0.6Hz，以獲得金屬陶瓷改性層； 上述步驟a、b在真空狀態(tài)下完成的。
【文檔編號】C23F17/00GK106011875SQ201610331260
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】陳希章, 謝爾蓋·科諾瓦洛夫
【申請人】溫州大學(xué)