[发明专利]一种基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法，属于表面处理技术领域。本发明基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层从表面至基体依次包括TiB₂外层、TiB晶须‑TiAl₃次外层、TiAl₃层和扩散层，梯度渗层的厚度不小于100μm，表面硬度不小于2200HV，表面层与基体层的硬度差不大于500HV；在钛或钛合金基体中生长TiB晶须，通过渗铝‑渗硼的复合渗方法在TiB₂层和TiAl₃层之间形成TiB晶须‑TiAl₃层，获得厚度不小于100μm且硬度梯度变化平缓的梯度渗层，弥补钛或钛合金表面渗层厚度小、硬度梯度大的缺陷，改善钛或钛合金的耐磨性和高温抗氧化性。

技术领域

本发明涉及一种基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法，属于表面处理技术领域。

背景技术

钛及其合金因熔点高、比强度高、耐蚀性好、高温稳定性强、生物兼容性优异和无磁无毒等优点，被广泛应用于车辆工程、航空航天、海洋舰船、能源化工和生物医学等领域。但是钛及其合金的硬度较低，耐磨性较差，滑动时容易产生粘着磨损，从而导致工件咬死。此外，在高温环境下使用时，其表面形成的氧化膜易剥落，使其抗氧化性降低；氧很容易通过氧化膜溶入基体合金形成脆性层，使合金力学性能恶化，导致合金机械性能严重下降，结构零部件失效。上述缺点严重制约了钛及其合金更为广泛的工程应用。

渗硼技术是近年来快速发展起来的提高钛及其合金表面性能的重要表面改性技术之一。然而，由于钛及其合金的渗硼层由TiB₂外层和TiB晶须内层组成，其厚度最大仅为60μm，无法有效阻止氧向基体扩散；此外，钛及其合金表面渗硼层显微硬度是基体的7-8倍，硬度梯度从渗硼层至基体的变化幅度大，极易引起渗硼层与基体结合处应力集中，导致渗硼层与基体结合力差，渗硼层易脱落，使渗硼后钛及其合金仍难以满足耐磨和高温抗氧化性能方面的要求。采用B-Al复合渗处理的钛及其合金渗层要么表面硬度高(1429HV)、厚度小(37μm)，要么硬度低(1041.7HV)、厚度大(115μm)；而采用B-Al共渗处理的TC4钛合金渗层表面硬度(1221HV)和厚度(69.8μm)都较低，仍未完全克服厚度小、硬度梯度大或表面硬度低引起的渗层易脱落、耐磨性差等缺陷，对改善钛及其合金表面耐磨性、高温抗氧化性还是不够理想。

发明内容

本发明针对现有技术钛及其合金表面处理的问题，提供一种基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层及其制备方法，本发明在钛或钛合金基体中生长TiB晶须，通过渗铝-渗硼的复合渗方法在TiB₂层和TiAl₃层之间形成TiB晶须-TiAl₃层，获得厚度不小于100μm且硬度梯度变化平缓的梯度渗层，弥补钛及其合金表面渗层厚度小、硬度梯度大的缺陷，改善钛及其合金的耐磨性和高温抗氧化性；本发明可获得厚度大、表面硬度大且硬度梯度合理的钛及其合金表面梯度渗层，对提高钛及其合金工件的使用寿命，增加其服役安全性意义重要。

一种基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层，梯度渗层从表面至基体依次包括TiB₂外层、TiB晶须-TiAl₃次外层、TiAl₃层和扩散层，梯度渗层的厚度不小于100μm，表面硬度不小于2200HV，表面层与基体层的硬度差不大于500HV。

所述基于TiB晶须的钛或钛合金的梯度渗层的制备方法，具体步骤如下：

(1)在钛或钛合金基体中制备TiB晶须；

(2)基于TiB晶须进行渗铝，依次生成TiB晶须-TiAl₃次外层、TiAl₃层和扩散层；

(3)表面渗硼生成TiB₂外层。