一種改善Ti?Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的制備方法
【專利摘要】一種改善Ti?Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的制備方法，本發(fā)明涉及一種改善Ti?Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有Ti?Al系合金抗氧化性能不足，不能有效阻止裂紋的萌生和擴展導(dǎo)致氧化層脫落的問題。方法：一、預(yù)處理；二、陽極氧化；三、后續(xù)處理。本發(fā)明通過陽極氧化法在Ti?Al系合金表面生成的有序多孔陽極氧化層具有與基體結(jié)合強度高，高溫下無元素內(nèi)擴散現(xiàn)象。同時陽極氧化法具有工藝簡單、操作簡便、對設(shè)備要求低，成本低廉等優(yōu)點，因此適合實際工程化應(yīng)用。
【專利說明】
一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于Ti-Al系合金具有密度低、比強度高等特點，因此在航空航天、海洋、汽車、石 油化工等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，是二十一世紀(jì)公認(rèn)的最具應(yīng)用潛力的高溫輕質(zhì)材 料。但是Ti-Al系合金暴露于高溫空氣中時，表面形成的Ti〇2和AI2O3兩種混合物的氧化層并 不致密，不能有效保護基體不被進一步氧化，因此高溫抗氧化性不足成為制約Ti-Al系合金 實現(xiàn)工程化應(yīng)用的一大瓶頸。
[0003] 提高Ti-Al系合金高溫抗氧化性的方法主要有兩種。一種是合金化，即以兩種金屬 間化合物為基體，向其中加入能夠提高其抗氧化性的合金元素，如Zr、Nb、Mo、Mn等。但是合 金元素含量過多時，會嚴(yán)重惡化基體的機械性能。另外一種是通過表面處理技術(shù)在金屬間 化合物表面形成一層抗氧化涂層，涂層的種類根據(jù)制備方法不同可以分為沉積涂層、擴散 涂層、和富鹵素涂層。涂層能夠有效的提高基體的高溫抗氧化性能，但是具有與基體結(jié)合強 度低，相對基體機械性能較差等缺點。
[0004] 進入21世紀(jì)以來，人類在航空航天、海洋、汽車、石油化工等領(lǐng)域取得了長足的進 步和發(fā)展。特別是在航空航天領(lǐng)域，隨著各國對飛行器的速度提出越來越高的要求，對發(fā)動 機材料的服役性能的要求也越來越高。作為一種高溫輕質(zhì)材料，Ti-Al系合金被認(rèn)為是最適 合取代Ni基高溫合金的材料。但是在高溫時抗氧化性能不足一直是制約Ti-Al系合金工程 化應(yīng)用的主要因素。因此，尋求一種既能夠提高基體抗氧化性能又成本低廉的表面處理工 藝至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有Ti-Al系合金抗氧化性能不足，不能有效阻止裂紋的萌生和 擴展導(dǎo)致氧化層脫落的問題，而提供一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧 化層的制備方法。
[0006] 本發(fā)明一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的制備方法具體 是按以下步驟進行：
[0007] 一、預(yù)處理:依次采用400#砂紙、800#砂紙和2000#砂紙對鈦鋁試樣進行打磨，然后 采用機械拋光將打磨后的鈦鋁試樣的表面拋至鏡面，先采用去離子水清洗3~5次，每次 3min~5min，再置于丙酮中超聲波震蕩清洗5min，最后在無水乙醇中超聲波震蕩清洗5min 后，取出冷風(fēng)吹干，得到待處理鈦鋁試樣；
[0008] 二、陽極氧化：以待處理鈦鋁試樣為工作電極，鉑電極或石墨電極作為輔助電極， 將工作電極和輔助電極完全浸沒在電解液中，在電壓為IV~60V的條件下進行陽極氧化，所 述陽極氧化的時間為O. Ih~20h，在陽極氧化的過程中控制電解液溫度為O°C~85°C，反應(yīng) 結(jié)束，得到陽極氧化后的試樣;所述電解液是濃度為O.lmol/L~IOmolAi^H2SO4水溶液且所 述濃度為0.1111 〇1/1~10111〇1/1的!12504水溶液中添加有占總質(zhì)量0.1%~5%的氟化物；
[0009] 三、后續(xù)處理:采用去離子水將陽極氧化后的試樣沖洗3~5次，每次3~5min，然后 在無水乙醇中超聲波震蕩清洗5min后，取出冷風(fēng)吹干，即完成改善Ti-Al系合金抗氧化性能 的表面多孔陽極氧化層的制備。
[0010] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明利用陽極氧化的方法在Ti-Al系合金表面制備一層有 序多孔結(jié)構(gòu)的氧化層，有效的解決了 Ti-Al系合金抗氧化性能不足的技術(shù)瓶頸。而且，通過 陽極氧化法提高基體的抗氧化性能具有對設(shè)備要求低，操作簡便，成本低廉等優(yōu)點，滿足實 際工程化應(yīng)用的要求。
【附圖說明】
[0011] 圖1為實施例一處理后的TiAl金屬間化合物的表面形貌圖；
[0012] 圖2為實施例二處理后的TiAl金屬間化合物的表面形貌圖；
[0013]圖3為未經(jīng)本發(fā)明處理的TiAl金屬間化合物、實施例一處理后的TiAl金屬間化合 物和實施例二處理后的TiAl金屬間化合物的氧化動力學(xué)曲線;其中1為未經(jīng)本發(fā)明處理的 TiAl金屬間化合物，2為實施例一處理后的TiAl金屬間化合物，3為實施例二處理后的TiAl 金屬間化合物。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0014] 一:本實施方式一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極 氧化層的制備方法具體是按以下步驟進行：
[0015] 一、預(yù)處理:依次采用400#砂紙、800#砂紙和2000#砂紙對鈦鋁試樣進行打磨，然后 采用機械拋光將打磨后的鈦鋁試樣的表面拋至鏡面，先采用去離子水清洗3~5次，每次 3min~5min，再置于丙酮中超聲波震蕩清洗5min，最后在無水乙醇中超聲波震蕩清洗5min 后，取出冷風(fēng)吹干，得到待處理鈦鋁試樣；
[0016] 二、陽極氧化：以待處理鈦鋁試樣為工作電極，鉑電極或石墨電極作為輔助電極， 將工作電極和輔助電極完全浸沒在電解液中，在電壓為IV~60V的條件下進行陽極氧化，所 述陽極氧化的時間為〇. Ih~20h，在陽極氧化的過程中控制電解液溫度為0°C~85°C，反應(yīng) 結(jié)束，得到陽極氧化后的試樣;所述電解液是濃度為O.lmol/L~IOmolAi^H 2SO4水溶液且所 述濃度為0.1111〇1/1~10111 〇1/1的!12504水溶液中添加有占總質(zhì)量0.1%~5%的氟化物；
[0017]三、后續(xù)處理:采用去離子水將陽極氧化后的試樣沖洗3~5次，每次3~5min，然后 在無水乙醇中超聲波震蕩清洗5min后，取出冷風(fēng)吹干，即完成改善Ti-Al系合金抗氧化性能 的表面多孔陽極氧化層的制備。
[0018]本實施方式直接利用電化學(xué)的方法在Ti-Al系合金表面形成一層陽極氧化層，從 而提高基體的抗氧化性能。與合金化方法和傳統(tǒng)的涂層制備技術(shù)相比，陽極氧化不引入其 它合金元素，因此無元素內(nèi)擴散現(xiàn)象。同時，在陽極氧化過程中，陽極氧化層是通過原位生 長的方式形成的，因此與基體的結(jié)合強度較高。此外，陽極氧化對設(shè)備要求低，工藝簡單，成 本低廉，符合實際工程應(yīng)用的需要。本實施方式通過特殊的陽極氧化工藝，在Ti-Al系合金 表面形成有序的多孔陽極氧化層，能夠有效的提尚Ti-Al系合金的抗氧化性能，有序的多孔 結(jié)構(gòu)不但可以，從而使氧化層不易剝落，能夠持久有效的保護基體，同時，多孔結(jié)構(gòu)在高溫 加熱時還能夠發(fā)生致密化作用，進一步改善Ti-Al系合金的抗氧化性能。
【具體實施方式】 [0019] 二:本實施方式與一不同的是:步驟一所述鈦鋁試樣 為Ti-Al系合金。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0020] 三:本實施方式與一或二不同的是：步驟一所述鈦鋁 試樣為!1341、1141或1141 3。其它與一或二相同。
【具體實施方式】 [0021] 四：本實施方式與一至三之一不同的是：步驟二中在 電壓為30V~50V的條件下進行陽極氧化。其它與一至三之一相同。
【具體實施方式】 [0022] 五:本實施方式與一至四之一不同的是：步驟二中所 述陽極氧化的時間為6h。其它與一至四之一相同。
【具體實施方式】 [0023] 六:本實施方式與一至五之一不同的是：步驟二中在 陽極氧化的過程中控制電解液溫度為25°C且保持恒溫不變。其它與一至五之 一相同。
【具體實施方式】 [0024] 七:本實施方式與一至六之一不同的是：步驟二中所 述電解液是濃度為〇. lmol/L~5mol/L的H2S〇4水溶液且所述濃度為0. lmol/L~5mol/L的 H2SO4水溶液中添加有占總質(zhì)量0.1 %~5%的氟化物。其它與一至六之一相 同。
【具體實施方式】 [0025] 八:本實施方式與一至七之一不同的是：步驟二中所 述電解液是濃度為ImolA^H2SO 4水溶液且所述濃度為1111〇1/1的秘〇4水溶液中添加有占總 質(zhì)量0.1 %~5 %的氟化物。其它與一至七之一相同。
【具體實施方式】 [0026] 九:本實施方式與一至八之一不同的是：步驟二中所 述電解液是濃度為ImolA^H2SO 4水溶液且所述濃度為1111〇1/1的秘〇4水溶液中添加有占總 質(zhì)量0.1 %~1 %的氟化物。其它與一至八之一相同。
【具體實施方式】 [0027] 十:本實施方式與一至九之一不同的是：步驟二中所 述氟化物為氫氟酸、氟化氨、氟化鈉、氟化鉀、氟化鈣或氟化氫鉀。其它與一至 九之一相同。
[0028]通過以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
[0029] 實施例一:一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的制備方法 具體是按以下步驟進行：
[0030] 一、預(yù)處理：依次采用400#砂紙、800#砂紙和2000#砂紙對TiAl金屬間化合物進行 打磨，然后采用機械拋光將打磨后的TiAl金屬間化合物的表面拋至鏡面，先采用去離子水 清洗3~5次，每次3min~5min，再置于丙酮中超聲波震蕩清洗5min，最后在無水乙醇中超聲 波震蕩清洗5min后，取出冷風(fēng)吹干，得到待處理TiAl金屬間化合物；
[0031] 二、陽極氧化：以待處理TiAl金屬間化合物為工作電極，鉑電極作為輔助電極，將 工作電極和輔助電極完全浸沒在電解液中，所述工作電極和輔助電極相距2.5cm，在電壓為 30V的條件下進行陽極氧化，所述陽極氧化的時間為2h，在陽極氧化的過程中控制電解液溫 度為25 °C，反應(yīng)結(jié)束，得到陽極氧化后的試樣;所述電解液是濃度為Imol AJ^H2SO4水溶液且 所述濃度為ImolAJ^H2SO 4水溶液中添加有占總質(zhì)量0.25%的氟化氫；
[0032]三、后續(xù)處理:采用去離子水將陽極氧化后的試樣沖洗3~5次，每次3~5min，然后 在無水乙醇中超聲波震蕩清洗5min后，取出冷風(fēng)吹干，即完成改善Ti-Al系合金抗氧化性能 的表面多孔陽極氧化層的制備。
[0033]圖1為實施例一處理后的TiAl金屬間化合物的表面形貌圖；從圖中可以看出，通過 陽極氧化處理后，TiAl金屬間化合物表面形成的陽極氧化層并不是致密的，而是由形狀規(guī) 整，孔徑均一，整齊排列的有序納米孔結(jié)構(gòu)組成。
[0034] 實施例二:本實施例與實施例的不同之處在于:步驟二中在電壓為50V的條件下進 行陽極氧化。其他的與實施例一相同。
[0035] 圖2為實施例二處理后的TiAl金屬間化合物的表面形貌圖；從圖中可以看出當(dāng)陽 極氧化電壓增加時，納米孔的直徑也隨之增加，而且在每納米孔內(nèi)部還存在許多直徑尺寸 更小的納米孔。
[0036]圖3為未經(jīng)本發(fā)明處理的TiAl金屬間化合物、實施例一處理后的TiAl金屬間化合 物和實施例二處理后的TiAl金屬間化合物的氧化動力學(xué)曲線，其中1為未經(jīng)本發(fā)明處理的 TiAl金屬間化合物，2為實施例一處理后的TiAl金屬間化合物，3為實施例二處理后的TiAl 金屬間化合物;從圖中可以看出經(jīng)過陽極氧化處理后，TiAl金屬間化合物的抗氧化性能得 到了明顯的改善。未經(jīng)處理的試樣氧化增重明顯，20h后近似為直線增長，循環(huán)氧化50h后單 位面積增重為20.775mg/cm 2。而50V電壓下陽極氧化處理后的試樣氧化增重速率很小，循環(huán) 氧化50h后單位面積增重僅為0.598mg/cm 2。
[0037]采用在800°C靜態(tài)空氣中循環(huán)高溫氧化50h后的單位面積增重量來分別評估實施 例一處理后的TiAl金屬間化合物和實施例二處理后的TiAl金屬間化合物的抗氧化性能，結(jié) 果見表一O
[0038] 表一不同電壓下陽極氧化試樣循環(huán)高溫氧化50h后的單位面積增重量
[0040]實施例三:本實施例與實施例一的不同之處在于：步驟二中所述陽極氧化的時間 為lh。其他的與實施例一相同。
[0041]采用在800°C靜態(tài)空氣中循環(huán)高溫氧化50h后的單位面積增重量來評估實施例三 處理后的TiAl金屬間化合物的抗氧化性能，結(jié)果見表二。
[0042]表二不同陽極氧化時間下試樣循環(huán)高溫氧化50h后的單位面積增重量
[0044]實施例四：本實施例與實施例一的不同之處在于：步驟二中所述電解液是濃度為 lmo VU^H2SO4水溶液且所述濃度為lmo IAJ^H2SO4水溶液中添加有占總質(zhì)量0 · 35%的氟化 氫。其他的與實施例一相同。
[0045]采用在800°C靜態(tài)空氣中循環(huán)高溫氧化50h后的單位面積增重量來評估實施例四 處理后的TiAl金屬間化合物的抗氧化性能，結(jié)果見表三。
[0046]表三不同量的氟化氫的添加時陽極氧化試樣循環(huán)高溫氧化50h后的單位面積增重 量
【主權(quán)項】
1. 一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的制備方法，其特征在于 改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的制備方法具體是按以下步驟進行： 一、 預(yù)處理:依次采用400#砂紙、800#砂紙和2000#砂紙對鈦鋁試樣進行打磨，然后采用 機械拋光將打磨后的鈦鋁試樣的表面拋至鏡面，先采用去離子水清洗3~5次，每次3min~ 5min，再置于丙酮中超聲波震蕩清洗5min，最后在無水乙醇中超聲波震蕩清洗5min后，取出 冷風(fēng)吹干，得到待處理鈦鋁試樣； 二、 陽極氧化：以待處理鈦鋁試樣為工作電極，鉑電極或石墨電極作為輔助電極，將工 作電極和輔助電極完全浸沒在電解液中，在電壓為IV~60V的條件下進行陽極氧化，所述陽 極氧化的時間為〇. lh~20h，在陽極氧化的過程中控制電解液溫度為0°C~85°C，反應(yīng)結(jié)束， 得到陽極氧化后的試樣;所述電解液是濃度為O.lmol/L~10mol/U^H 2S04水溶液且所述濃 度為0.1111〇1/1~10111 〇1/1的賊04水溶液中添加有占總質(zhì)量0.1%~5%的氟化物； 三、 后續(xù)處理:采用去離子水將陽極氧化后的試樣沖洗3~5次，每次3~5min，然后在無 水乙醇中超聲波震蕩清洗5min后，取出冷風(fēng)吹干，即完成改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表 面多孔陽極氧化層的制備。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟一所述鈦鋁試樣為Ti-Al系合金。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟一所述鈦鋁試樣為Ti 3Al、TiAl或TiAl3。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟二中在電壓為30V~50V的條件下進行陽極氧化。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟二中所述陽極氧化的時間為6h。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟二中在陽極氧化的過程中控制電解液溫度為25°C且保持恒溫不 變。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟二中所述電解液是濃度為O.lmol/L~5mol/I^H 2S〇4水溶液且所 述濃度為0.1111〇1/1~5111〇1/1的!1 2504水溶液中添加有占總質(zhì)量0.1%~5%的氟化物。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟二中所述電解液是濃度為lmol/U^H 2S04水溶液且所述濃度為 1111〇1/1的賊〇4水溶液中添加有占總質(zhì)量0.1%~5%的氟化物。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟二中所述電解液是濃度為lmol/U^H 2S04水溶液且所述濃度為 1111〇1/1的賊〇4水溶液中添加有占總質(zhì)量0.1 %~1 %的氟化物。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善Ti-Al系合金抗氧化性能的表面多孔陽極氧化層的 制備方法，其特征在于步驟二中所述氟化物為氫氟酸、氟化氨、氟化鈉、氟化鉀、氟化鈣或氟 化氫鉀。
【文檔編號】C25D11/04GK106086981SQ201610546032
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】孔凡濤, 蘇宇, 王曉鵬, 陳玉勇
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)