一种钛合金的表面处理方法与流程

1.本发明属于钛合金表面处理技术领域，具体涉及到一种钛合金结构件和薄壁件的表面处理方法。


背景技术：

2.钛合金材料具有较高的比强度，密度一般在4.51g/cm3左右，同时具有较好的热稳定性和高温强度，以其制备的薄壁件在航空航天等领域具有非常广阔的应用前景。而由于成形后材料壁厚较低，目前疲劳失效是钛合金薄壁件破坏的主要原因，尤其是对于军工产品来说是致命的隐患。因此，如何采用一种简单有效的方式提高合金的疲劳强度一直是人们关注的热点。
3.为满足航空航天等领域对钛合金薄壁件长寿命、高可靠性和高安全性的设计要求，工程上采用各种表面强化工艺(如喷丸、滚压等)对构件进行表面处理以改善其表面完整性。然而对于部分结构复杂的薄壁件，常规的表面强化工艺难以实施，且表面容易产生缺陷，导致材料表面完整性下降，不利于材料疲劳性能的提高。因此本发明提供了一种经济、方便、可靠性高、适应性强的表面处理方法，从而进一步提高钛合金复杂薄壁件的疲劳性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种钛合金的表面处理方法，该工艺实施简单，可将钛合金结构件或薄壁件的疲劳性能大幅提升；尤其可以用于不能采用喷丸、滚压等常规表面强化工艺的处理的复杂结构的钛合金结构件或薄壁件。
5.本发明是采用以下具体技术方案来实现的：
6.本发明第一方面提供了一种钛合金的表面处理方法，具体工序为：将钛合金结构件置于0.5～3倍标准大气压的氧气氛或氧气浓度与之等效的混合气氛中，经400℃～420℃保温50h～200h后，钛合金试样表面形成低于3μm且高于1μm的氧化层，次表面形成梯度渗氧组织。
7.优选的，所述的钛合金结构件在置于氧气氛前，试样表面经过洁净化和抛光处理，保证表面清洁且粗糙度ra≤0.2。
8.优选的，所述的钛合金结构件在氧气氛中完成表面处理后，将试样表面抛光处理，抛光深度在1μm～3μm，去除氧化层并保留渗透氧层。
9.优选的，所述抛光处理为采用sio2抛光液将构件表面氧化层抛除。
10.优选的，所述钛合金为α+β型钛合金或近α型钛合金。进一步的所述钛合金包括牌号为tc4、ta15、tc11、ti-55、ti60或ti65等类似或相近的钛合金。
11.本发明第二方面提供了一种钛合金薄壁件的表面处理方法，将薄壁件置于0.5～3倍标准大气压的氧气氛或氧气浓度与之等效的混合气氛中，经400℃～420℃保温50h～200h后，表面形成低于3μm且高于1μm的氧化层，次表面形成梯度渗氧组织。
12.所述的钛合金薄壁件的表面处理方法，其优选方案为，钛合金薄壁件在置于氧气氛前，试样表面经过洁净化和抛光处理，保证试样表面清洁且粗糙度ra≤0.2。
13.所述的钛合金薄壁件的表面处理方法，其优选方案为，所述的钛合金薄壁件在氧气氛中完成表面处理后，将构件表面抛光，抛光深度在1μm～3μm，去除氧化层的氧化层并保留渗透氧层。
14.优选的，所述抛光处理为采用sio2抛光液将构件表面氧化层抛除。
15.根据本发明的进一步说明：所述钛合金为α+β型钛合金或近α型钛合金。进一步的，所述钛合金为tc4合金、ta15合金。
16.本发明第三方面提供了一种所述的表面处理方法在钛合金结构件或钛合金薄壁件的表面处理上的应用。
17.钛合金可分为结构钛合金和耐热钛合金，或α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金。含有α稳定元素且在室温稳定状态下基体为α相的钛合金称为α型钛合金，以α相为基体，仅含有少量β相的钛合金称为近α型钛合金，室温稳定状态下由α相及β相组成的钛合金称为α+β型钛合金。由于近α型钛合金和α+β型钛合金材料兼具耐腐蚀和优异的机械性能，在多个行业得到了广泛的应用。近α型钛合金(nearαtitanium alloy)，以α固溶体为基，在稳定状态下含2％～8％的β相，从β区急冷后含8％～15％β相的钛合金。α+β型钛合金既加入α稳定元素，又加入β稳定元素，使α相和β相同时得到强化。β稳定元素的加人量为4％～6％，主要为了获得足够数量的β相，以改善合金的塑性成型性利赋予合金热处理强化的能力。由此可知，α+β型钛合金的性能主要由β相稳定元素来决定元素对β相的固溶强化和稳定能力越大，对性能的改善作用也越明显。α+β型钛合金的α相稳定元素主要是铝。铝几乎是这类合金不可缺少的元素，但加入应控制在6％～7％以下，以免出现有序反应，生成α2相，损害合金的韧性。为了进一步强化α相，只有补加少量的中性元素锡和锆。α+β型钛合金广泛应用于航空、航天、汽车、高尔夫球杆头、自行车等领域，其典型代表是1954年美国研制成功的ti-6al-4v合金。ti-6al-4v合金具有良好的综合性能。目前ti-6al-4v合金使用量已占全部钛合金的一半以上，但由于ti-6al-4v合金含有贵金属钒，其价格也相当的昂贵。
18.相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
19.1)该工艺简单易操作，适应性强，效果显著，氧气氛处理可以把整个钛合金结构件或薄壁件包围，从而可广泛的应用于各种类型、各种形状的钛合金结构件或薄壁件；尤其可应用于各种复杂结构的钛合金复杂薄壁件和采用喷丸、滚压等常规表面强化工艺技术的无法处理或难以达到全覆盖的钛合金复杂薄壁件，如u型管，喷丸工艺就会有死角；本发明还可以针对回转体类结构的薄壁件，或者是大型的曲面薄壁件进行表面强化处理。
20.2)本发明经过大气压的氧气氛后试样表面形成约低于3μm高于1μm的氧化层，次表面形成梯度渗氧组织，使薄壁件表面至基体的强度缓慢过渡，可同时提高合金的室温和高温疲劳性能，经上述处理后的钛合金复杂薄壁件室温和400℃高温疲劳极限提升15％以上；经上述处理后的钛合金结构件的疲劳极限提升至少10％以上。
附图说明
21.图1为本发明实施例2中tc4合金复杂薄壁件经本发明表面处理(氧化+抛光)后的显微组织照片；
22.图2为本发明实施例4中ta15合金复杂薄壁件经本发明表面处理(氧化+抛光)后的显微组织照片。
具体实施方式
23.下面分别以tc4合金和ta15合金异形薄壁件为例，结合实施例对本发明作进一步说明。tc4合金是一种中等强度的α+β型两相钛合金，该合金具有优异的综合性能，在航空和航天工业中用量最大、使用最为广泛，钛合金tc4材料的组成为ti-6al-4v，属于(α+β)型钛合金。ta15钛合金的名义成分为ti-6.5al-2zr-1mo-1v，属于高al当量的近α型钛合金。
24.实施例1、实施例2：
25.实施例1和实施例2、对比例1所用原材料是合金成分为ti-6.02a1-4.15v的tc4合金，合金的相变点为990℃，其初生α相的体积分数～30％，经本发明的表面处理工艺+抛光后的合金显微组织如图1所示。薄壁件经一体化挤压成型后进行打磨抛光处理，表面光洁度为r＝0.1，处理前使用石油醚将薄壁件清洗干净。
26.实施例1将薄壁件置于1倍标准大气压的氧气氛中，经400℃保温150h。取出空冷后直接进行疲劳极限测试；实施例2按照实施例1处理后，采用sio2抛光液，将构件表面氧化层抛除，抛光厚度为1μm～2μm，完成抛光后进行疲劳极限的测试。对比例1为未经过氧气氛氧化处理的薄壁件。实施例1-2和对比例1的疲劳极限见表1。
27.表1实施例1和2与未做处理对比例1薄壁件试样的疲劳极限
[0028][0029]
测试结果：室温及高温疲劳极限下的实施例1、实施例2与未处理薄壁件对比，实施例1-2疲劳性能具有显著提高，且经抛光后的实施例2疲劳极限比未抛光实施例1高约20-40mpa。由此可见，经本发明氧化处理+抛光的钛合金薄壁件具有更好的疲劳性能。根据图1所示，图1为实施例2中tc4合金复杂薄壁件经本发明表面处理(氧化+抛光)后的显微组织照片。
[0030]
实施例3、实施例4：
[0031]
实施例3-4、对比例2所用原材料是合金成分为ti-6.6a1-1.95zr-1.00mo-1.03v的ta15合金，合金的相变点为1005℃，其初生α相的体积分数～15％，经本发明的表面处理工艺+抛光后的合金显微组织如图2所示。薄壁件经一体化挤压成型后进行打磨抛光处理，表面光洁度为r＝0.1，处理前使用石油醚将薄壁件清洗干净。
[0032]
实施例3将薄壁件置于3倍大气压的空气氛中，经420℃保温100h。取出空冷后直接进行疲劳极限测试；实施例4按照实施例1处理后，采用sio2抛光液，将构件表面氧化层抛
40mpa。由此可见，经本发明处理+抛光的钛合金薄壁件具有更好的疲劳性能。
[0043]
实施例7、实施例8：
[0044]
实施例7-8、对比例4所用原材料是的ti-6.2a1-2.01zr-0.98mo-1.02v的ta15合金，合金的相变点为995℃，其初生α相的体积分数～20％。薄壁件经一体化挤压成型后进行打磨抛光处理，表面光洁度为r＝0.1，处理前使用石油醚将薄壁件清洗干净。
[0045]
实施例7将薄壁件置于2倍大气压的空气氛中，经400℃保温200h。取出空冷后直接进行疲劳极限测试；实施例8按照实施例1处理后，采用sio2抛光液，将构件表面氧化层抛除，抛光厚度为1μm～2μm。完成抛光后进行疲劳极限的测试。对比例3为未经过氧气氛氧化处理的薄壁件。实施例7-8和对比例4的疲劳极限见表4。
[0046]
表4实施例7和8与未做处理对比例4薄壁件试样的疲劳极限
[0047][0048]
测试结果：室温及高温疲劳极限下的实施例7-8与未处理薄壁件对比例4，实施例7-8疲劳性能具有显著提高，且经抛光后的实施例8疲劳极限比未抛光实施例7高约20-40mpa。由此可见，经本发明处理+抛光的钛合金薄壁件具有更好的疲劳性能。
[0049]
本发明经过大量的实验表明，钛合金为α+β型钛合金或近α型钛合金的具体牌号为tc4、ta15、tc11、ti-55、ti60或ti65等类似或相近的钛合金在制备成其他钛合金结构件时，同样可以取得上述相同的实验结果，也就是本发明氧化处理+抛光的钛合金结构件具有更好的疲劳性能，在室温和高温的疲劳极限提升至少10％以上。
[0050]
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种钛合金的表面处理方法，其特征在于，具体工序为：将钛合金结构件置于0.5～3倍标准大气压的氧气氛或氧气浓度与之等效的混合气氛中，经400℃～420℃保温50h～200h后，钛合金试样表面形成低于3μm且高于1μm的氧化层，次表面形成梯度渗氧组织。2.根据权利要求1所述的钛合金的表面处理方法，其特征在于：所述的钛合金结构件在置于氧气氛前，试样表面经过洁净化和抛光处理，保证表面清洁且粗糙度ra≤0.2。3.根据权利要求1所述的钛合金的表面处理方法，其特征在于：所述的钛合金结构件在氧气氛中完成表面处理后，将试样表面抛光处理，抛光深度在1μm～3μm，去除氧化层并保留渗透氧层。4.根据权利要求2或3所述的钛合金的表面处理方法，其特征在于：所述抛光处理为采用sio2抛光液将构件表面氧化层抛除。5.根据权利要求1-3任一所述的钛合金的表面处理方法，其特征在于：所述钛合金为α+β型钛合金或近α型钛合金。6.根据权利要求1-3任一所述的钛合金的表面处理方法，其特征在于：所述钛合金结构件为钛合金薄壁件或钛合金复杂薄壁件。7.根据权利要求6所述的钛合金的表面处理方法，其特征在于：所述钛合金为tc4合金、ta15合金。8.根据权利要求1-7中任一所述的表面处理方法在钛合金结构件或钛合金薄壁件的表面处理上的应用。

技术总结
本发明公开了一种钛合金的表面处理方法，具体工序为：将钛合金结构件或薄壁件置于0.5～3倍标准大气压的氧气氛或氧气浓度与之等效的混合气氛中，经400℃～420℃保温50h～200h后，钛合金试样表面形成低于3μm且高于1μm的氧化层，次表面形成梯度渗氧组织。本发明的表面处理工艺简单易操作，适应性强，效果显著，可应用于各种复杂结构的钛合金结构件或薄壁件。应用于各种复杂结构的钛合金结构件或薄壁件。应用于各种复杂结构的钛合金结构件或薄壁件。


技术研发人员：吴玉常 李鹏 赵小东 吴子舒 岳超 李尧 何英杰
受保护的技术使用者：宝鸡西工钛合金制品有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/16