[发明专利]一种在TC4钛合金表面制备钴基合金层的方法

说明书

技术领域

本发明属于钛合金表面处理领域，更具体地说，涉及一种在TC4钛合金表面制备钴基合金层的方法。

背景技术

钛及钛合金是上世纪五十年代兴起的一种重要结构材料。纯钛是轻金属，密度为 4.52g/cm³，钛在地壳里的分布范围比较广泛，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居第 10 位。钛合金是以钛为基材加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素，有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型两种。前者有钼、铌、钒等，后者有铬、锰、铜、铁、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。

钛及钛合金具有一系列优点，比如强度高，机械性能好，韧性和抗蚀性能好，工作温度范围较宽，中温性能稳定，主要应用于航空航天和军事工业上，同时在化工、石油、轻工、冶金、电力、体育、医疗等许多工业部门也有着广泛的应用。但是，钛合金耐磨性能差，600℃以上的抗氧化性能差，这些问题使钛金属及其合金的应用受到限制，因此也成为材料研究领域的热点之一（张喜燕, 赵永庆, 白晨光. 钛合金及应用[M]. 北京化学工业出版社, 2005.）。

研究表明，表面改性处理是克服上述钛合金缺陷的关键技术。应用较多的提高钛合金抗氧化和耐磨性能的表面改性技术有电镀、薄膜沉积改性、扩散渗铝、离子注入、激光表面处理和双层辉光离子渗金属等。

其中，双层辉光离子渗金属技术具有渗速快、渗层与基体为冶金结合、结合强度高、渗层厚度和成分可控、渗材选择面广、节约合金元素、无污染等优点。应用双层辉光离子渗金属技术已成功地在TC4、TC11钛合金表面形成了Ti-Cu，Ti-Mo，Ti-Cr，Ti-Cr-Mo系列阻燃合金，具有一定的阻燃效果；同时对钛合金表面进行渗氧、渗钼、渗氮、渗碳、渗铬以及复合Mo-N共渗、碳氮共渗等，结果表明均能大大提高了钛合金表面硬度，改善其耐磨性。但是目前利用双层辉光渗金属技术通过在钛合金表面渗钴来提高钛合金的高温抗氧化性以及进一步确定进行该过程的工艺参数条件以使渗层效果最佳的研究报道甚少。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有技术中存在的钛合金耐磨性能差，600℃以上的抗氧化性能差的问题，本发明提供了一种在TC4钛合金表面制备钴基合金层的方法，它可以确定在钛合金表面渗钴的最佳工艺参数，以提高钛合金的耐磨性及高温抗氧化性。

技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的一种在TC4钛合金表面制备钴基合金层的方法，其步骤为： 

（1）将TC4合金切割成试样后，用砂纸打磨试样表面，再用金刚石研磨膏抛光至镜面；

（2）双层辉光等离子渗金属炉的源极材料采用Stellite 6号钴基合金板，将洁净的TC4钛合金试样安放在该双层辉光等离子渗金属炉真空室内的阴极工作台上，安装好保温罩（辅助阴极），再调节源极圈与试样的间距至预设值，然后降下钟罩，封闭真空室；

（3）其次，打开真空泵，将炉内抽到极限真空度（2.0×10^-3Pa），充入氩气到15-19Pa重新抽到极限真空度，如此往复4~6次，以排尽炉内空气；

（4）充入氩气到15-19Pa，打开冷却水，打开试样电源并施加350~450V电压，对试样进行12~15min的预轰击，一方面对试样进行清洗，另一方面活化试样表面以便于活性原子的吸附；

（5）预轰击之后调至工作气压，将源极和阴极电压调整到预定值，使试样和源极达到工作温度，稳定各工艺参数并开始保温，计时，每隔10-14min观察设备运行情况及试样状况；

（6）保温1-2.5小时后，关闭源极电源，将气压调至18~20Pa，将阴极电压降到250~280V，微辉保护降温；

（7）关闭气源和阴极电源，将炉内再次抽到极限真空度，冷却1-1.8h到室温出炉。

优选地，所述的步骤（2）中，所述的双层辉光等离子渗金属炉的源-阴极间距为18mm。

优选地，所述的步骤（6）中的保温时间为2h。

优选地，所述的步骤（5）中的保温温度为800~850℃。