[发明专利]一种表面复合硼化钛纤维的钛合金材料的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种表面复合硼化钛纤维的钛合金材料的制备方法和应用，该制备方法包括以纳米或微米TiB₂作为硼源，将钛合金包覆入TiB₂粉末中，配重或加压后进行保温烧结；去除表面残留的TiB₂粉末，即得表面复合硼化钛纤维的钛合金材料。本发明采用TiB₂粉包覆钛合金热扩散法制备表面复合硼化钛纤维的钛合金，制得的硼化钛纤维渗透层的厚度尺寸在10‑500μm之间。本发明通过短时保温制得的表面复合硼化钛纤维的钛合金材料表面硬度强度高而且保持芯部柔韧，可望应用于航空、航天、航海、国防、电子、交通运输、医疗等诸多领域。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理，具体涉及一种表面复合硼化钛纤维的钛合金材料的制备方法和应用。

背景技术

钛合金在金属结构材料中，具有比强度最高、抗腐蚀性最优两大突出优点，还具有生物相容性好、无磁性等诸多优点。自20世纪50年代以来，在航空、航天、国防、航海、电子、交通运输、医疗等诸多领域应用量快速增长。但是，钛合金仍然存在以下问题：价格高，冷热成形与加工成本高。此外钛合金性能也存在不足之处，主要体现在以下几个方面:(1)与高温合金比耐热性不高，由于晶界软化、相变、抗氧化能力下降使得钛合金最高使用温度难以逾越600℃“热障”；(2)与表面渗碳渗氮钢相比其硬度和耐磨性不高，20CrMnTi等表面碳氮共渗后硬度能达到HRC 60～65，摩擦系数约0.1而钛合金硬度只有HRC 30～35，摩擦系数约0.5；(3)与高温合金和合金钢比弹性模量不高，钛合金弹性模量只有110GPa，在尺寸精度要求高、减震等构件上难以胜任。当然如果作为骨植入材料，钛合金弹性模量显得过高而容易产生“应力屏蔽”，不利于骨组织生长；(4)强度有待进一步提高，现有常规钛合金强度为900-1200MPa，高强钛合金现有报道最高只有1500-1800MPa，而高强钢的强度已经达到3500-4000MPa。为了进一步提高钛合金使用温度、弹性模量、强度、硬度与降低摩擦系数，最直接、最有效的办法就是采用合金化或者复合化的方法引入第二相进行强化。

自然界中的材料，如树干、竹子等都是表面硬度强度高而芯部柔韧。对钛合金进行渗碳、氮、硼处理可以实现类似树干等自然材料的特性。与渗碳或渗氮相比，渗硼可使钛合金获得更优异的性能：如较高的表面硬度，更好的耐磨性和耐腐蚀性。常见渗硼的方式有气体渗硼和等离子渗硼，但是前者使用的硼源气体是昂贵而且具有毒性，后者渗硼层则相对较薄(Surf.Coat.Tech.2015,279:65-71.)。固体渗硼是一种应用广泛的硼化方法，具有成本低、工艺简单且硼化物层性能优良等特性(Ceram.Int.2020,46:16380-16387)。然而，在钛合金表面渗硼处理中，一般选择B₄C或者Na₃BO₄作为硼源，在700-1300℃保温4-24小时，过长的保温时间导致基体芯部晶粒长大明显，最终使材料芯部的性能劣化(Appl.Surf.Sci.2017,399:229-236；Surf.Eng.2018,35:611-617；J.Mater.Eng.Perform.2017,26:4544-4555)。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种表面复合硼化钛纤维的钛合金材料的制备方法，本发明是一种短时保温得到钛合金表面复合硼化钛纤维的方法，在强化钛合金的表面性能的同时保持芯部柔韧，同时通过此方法可以控制硼化钛纤维的渗入深度和纤维的尺寸，有效解决了传统的处理方式时间较长，对材料内部性能有不同程度的损坏。

本发明还提供所述制备方法所制备的表面复合硼化钛纤维的钛合金材料及其应用。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述一种表面复合硼化钛纤维的钛合金材料的制备方法，包括如下步骤：

采用TiB₂粉末作为B源，将钛合金包裹，配重或加压后进行热处理保温；去除表面残留的TiB₂粉末，即得表面复合硼化钛纤维的钛合金材料。