提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法

2023-04-24 19:40:46 2

專利名稱：提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法
技術領域：
本發明屬於金屬間化合物技術領域，涉及到一種提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法。該方法無需使用其它材料製備塗層，工藝簡單，提升效果顯著，對於 TiAl-Nb合金在熱浸鍍鋅鋅鍋部件中的應用有特別重要的作用。
背景技術：
工業中熔融鍍鋅生產線中的沉沒輥等部件沉浸於450°C ^480°C的熔融鋅液中，由於鋅液在熔融狀態下活性很強，其腐蝕和滲透性能大大增強，容易腐蝕輥面使輥面產生點蝕、蝕坑而變得粗糙，在鋅液的腐蝕和滾動摩擦阻力的雙重作用下，沉沒輥的工作壽命一般都較短。沉沒輥的頻繁更換或維修，不僅降低了作業率，而且勞動強度高，給生產和操作帶來諸多不便，造成大量經濟損失。單金屬W、Mo、B、C r、ff-M ο固溶體和金屬間化合物!^eB + Fe2B等材料耐液鋅腐蝕性能較好，但較脆。陶瓷材料如Al203、Mg0、SiC等，能夠承受液態金屬Si的腐蝕。但陶瓷件硬度高、脆性大、燒結和加工十分困難。金屬表面改性處理是提高金屬材料耐液鋅腐蝕性能簡單而有效的方法，它將金屬與腐蝕介質隔離，阻止兩者的直接接觸，從而保護金屬基體免受腐蝕。目前，在連續熱浸鍍鋅生產線上，普遍採用表面塗覆WC-Co塗層的方法來保護鋅鍋輥。WC系金屬陶瓷塗層抗液鋅腐蝕性能與塗層粉末的成分、製備方法和噴塗過程有關。具有由金屬和金屬硼化物或金屬碳化物構成的熱噴陶瓷塗層元件，以及具有由鈷和硼化物或碳化物構成的熱熔敷層的元件也已見報導(日本專利JP2001271151 ；日本專利JP2000144358)。MoB /CoCr金屬陶瓷材料是一種比較新的熱噴塗材料，與傳統塗層相比具有更高的壽命，已經在連續熱浸鍍鋅生產線上獲得應用，但實際使用壽命不超過三周(Mizuno H，Kitamura J. MoB/CoCr cermet coatings by HVOF spraying against corrosion by molten Al-Zn alloy. Journal of Thermal Spray Technology, 2007， 16:404-413)。上海交通大學發明了一種大顆粒球形金屬陶瓷納米複合噴塗粉體，其中 TiB2, WB及稀土粉的粒度均為0. 5 1. O Mm,鈷及鉻粉粒度小於100 nm。利用該納米複合粉體，通過熱噴塗工藝製備的輥面塗層，具有優異的耐磨損、耐高溫鋁液與鋅液腐蝕能力(中國發明專利CN1793048)。Y. C. Dong等採用等離子噴塗和Ni/Al粉末的方法在!^e-(0.35、. 44) wt% C鋼表面製備了 &02_Ni/A 1梯度塗層，能夠顯著延長材料在液鋅中的使用壽命(Dong Y C, Yan D R, He JN, et al. Degradation behavior of ZrO2-Ni/ Al gradient coatings in molten Zn. Surface & Coatings Technology, 2006, 201 2455-2459)。綜上所述，目前對耐液鋅腐蝕材料的研究主要集中在表面改性上。但常用的耐液鋅腐蝕塗層普遍具有工藝複雜、價格昂貴、材質脆、易脫落等缺陷，限制了它們的大範圍應用。王文俊等的研究認為，在相當寬的成分範圍內，高鈮鈦鋁合金都在鋅液中具有良好的耐腐蝕性(中國發明專利CN1804081)。當鋁、鈮含量偏低的時候，材料力學性能更好，但耐蝕性能較差。由於TiAl-Nb合金的耐液鋅腐蝕性能與其表面狀況有很大關係，故對其進行表面改性以進一步提高其耐液鋅腐蝕性能的研究是有意義的，目前國內外尚未見直接相關的報導。

發明內容
本發明的目的在於提供一種簡單的預處理方法，進一步提高TiAl-Nb合金的耐液鋅腐蝕性能，使其在熱浸鍍鋅生產線中具有更好的應用前景。一種提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法，其特徵是對TiAl-Nb合金進行特別的石英封管，然後在900° (Tl050° C溫度下保溫12 20小時，從而提高合金的耐液鋅腐蝕性能，對石英封管的操作包括SW2或TiA高溫下穩定的氧化物粉末包裹合金樣品和抽真空兩部分。包裹合金樣品的粉末粒度為6(Γ100目，純度99%以上，在封管之前先將粉末在 900^1100 ° C進行814小時的灼燒除氣處理。石英管的真空度為IX 10_^Γ2Χ 10_31^。預處理完成，空冷之後砸開石英管取出樣品，使用細毛刷清理表面附著粉末，然後置於無水乙醇中超聲波清洗5 15分鐘。預處理完成後的樣品經超聲波清洗後，在450°C的鋅液(含0. 2%質量分數的Al)中表現出很強的耐液鋅腐蝕性能。預處理後的TiAl-Nb合金在鋅液中的腐蝕仍然分為兩個階段。第一階段為完全不發生腐蝕的孕育期，第二階段為腐蝕快速發生的腐蝕期。與表面磨光的試樣相比，預處理樣品的腐蝕孕育期可延長609^200%。與線切割後不經其他處理的試樣相比，預處理樣品的腐蝕孕育期可延長209Γ50%。本發明的方法無需使用其它材料製備塗層，工藝簡單，提升效果顯著，對於 TiAl-Nb合金在熱浸鍍鋅鋅鍋部件中的應用有特別重要的作用。


圖1為預處理設備示意圖。其中，1為氧化物粉末，2為TiAl-Nb合金樣品，3為石英管， 4為剛玉坩堝，5為加熱爐爐壁。圖2為Ti-45Al_8Nb合金三個樣品的腐蝕孕育期柱狀圖。圖3為Ti-45Al_8Nb合金線切割樣品表面形貌。圖4為Ti-45Al_8Nb合金預處理後樣品表面形貌。圖5為Ti-45Al-8Nb_0. 3Y合金三個樣品的腐蝕孕育期柱狀圖。圖6為Ti-45Al-8. 5Nb_0. 2W_0. 2B_0. 2Y合金三個樣品的腐蝕孕育期柱狀圖。
具體實施例方式實施例1
實驗所用合金名義成分為Ti-45Al-8Nb (原子百分比)，鑄錠通過真空非自耗電弧爐熔煉獲得，並在1250°C下保溫1 作退火熱處理，爐冷獲得雙態組織。預處理樣品先經線切割後用砂紙磨至1200#，再按照權利要求書中所述方法進行預處理，溫度為950°C，保溫時間 12小時，圖1為預處理設備示意圖。對比試樣有兩個，一為線切割後經砂紙磨至1200# (以下簡稱空白樣)，另一個線切割後只經超聲波清洗而不進行其他任何處理(以下簡稱線切割樣)。所有試樣規格均為40mm X IOmmX 2mm。將樣品放入裝有含Al (質量分數0. 2%)的熔
4融鋅的剛玉坩堝中，在井式加熱爐中進行等溫靜態腐蝕實驗，每隔3天取出樣品一次觀察表面形貌。圖2是三個樣品的腐蝕孕育期柱狀圖。空白樣、線切割樣和預處理樣在鋅液中的腐蝕孕育期分別為30天、57天和87天，與兩個對比樣比較，預處理樣品的腐蝕孕育期有大幅提升。腐蝕開始發生時，三個樣品都是首先在邊角處發生局部腐蝕，然後向中心擴展。空白樣表面只有極薄的一層低溫氧化膜，其腐蝕孕育期相對較短。線切割樣和預處理樣表面的氧化膜較厚，對鋅液的阻隔效果更好。圖3是線切割樣品表面形貌，圖4是預處理後樣品表面形貌。對比兩張圖片可以看出，線切割樣的氧化膜雖然極為緻密，但存在很多微裂紋， 雖然由於表面張力的作用，鋅液不能從這些微裂紋中直接進入接觸基體，但增加了出現局部破裂的可能性。而預氧化的氧化膜緻密性雖然稍差，但連續性很好，氧化物大小均勻，不容易破裂。同時，氧化膜表面這種均勻微小的凹凸不平結構，也使得鋅液與樣品的浸潤性更差，從而大大延長了材料的腐蝕孕育期。實施例2
實驗所用合金名義成為Ti-45Al-8Nb-0. 3Y (原子百分比)，鑄錠通過真空非自耗電弧爐熔煉獲得，並在1250°C下保溫1 作退火熱處理，爐冷獲得雙態組織。按照權利要求書中所述方法進行預處理，溫度為950°C，保溫時間12小時，得到預處理樣品。對比試樣有兩個，一為線切割後經砂紙磨至1200# (以下簡稱空白樣)，另一個線切割後只經超聲波清洗而不進行其他任何不處理(以下簡稱線切割樣)。所有試樣規格均為40mm X IOmmX 2mm。將樣品放入裝有含Al (質量分數0.2%)的熔融鋅的剛玉坩堝中，在井式加熱爐中進行等溫靜態腐蝕實驗，每隔3天取出樣品一次觀察表面形貌。圖5是三個樣品的孕育期柱狀圖。空白樣、線切割樣和預處理樣在鋅液中的腐蝕孕育期分別為33天、69天和96天，與兩個對比樣比較，預處理樣品的腐蝕孕育期有大幅提升。與實施例1中的合金相比，Y的添加使得合金組織大幅度細化，材料力學和抗氧化性能等都有明顯差別。兩種合金的空白樣腐蝕孕育期差距很小，而預處理樣差距較大。預處理對腐蝕孕育期的提升作用更加明顯。實施例3
實驗所用合金名義成為Ti-45Al-8. 5Nb-0. 2ff-0. 2B-0. 2Y (原子百分比)，鑄錠通過等離子熔煉獲得，不經熱處理。按照權利要求書中所述方法進行預處理，溫度為950°C，保溫時間 12小時，得到預處理樣品。對比試樣有兩個，一為線切割後經砂紙磨至1200# (以下簡稱空白樣)，另一個線切割後只經超聲波清洗而不進行其他任何不處理(以下簡稱線切割樣)。所有試樣規格均為40mm X IOmmX 2mm。將樣品放入裝有含Al (質量分數0. 2%)的熔融鋅的剛玉坩堝中，在井式加熱爐中進行等溫靜態腐蝕實驗，每隔3天取出樣品一次觀察表面形貌。圖6是三個樣品的孕育期柱狀圖。空白樣、線切割樣和預處理樣在鋅液中的腐蝕孕育期分別為60天、87天和102天，與兩個對比樣比較，預處理樣品的腐蝕孕育期有大幅提升。本實例中的合金成分和組織更加複雜，等離子熔煉使得材料結構緻密，缺陷更少，因而空白樣的腐蝕孕育期比起前兩個實例中更長。但是可以看到，預處理的效果仍然十分明顯。
權利要求
1.一種提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法，其特徵是對TiAl-Nb合金進行特別的石英封管，然後在900° (Tl050° C溫度下保溫12 20小時，從而提高合金的耐液鋅腐蝕性能，對石英封管的操作包括SiO2或T^2高溫下穩定的氧化物粉末包裹合金樣品和抽真空兩部分。
2.根據權利要求1的一種提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法，其特徵是 包裹合金樣品的粉末粒度為6(Γ100目，純度99%以上，在封管之前先將粉末在90(Γ1100 ° C 進行814小時的灼燒除氣處理。
3.根據權利要求1的一種提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法，其特徵是 石英管的真空度為lX10』a 2X10-31^。
4.根據權利要求1的一種提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法，其特徵是 預處理完成，空冷之後砸開石英管取出樣品，使用細毛刷清理表面附著粉末，然後置於無水乙醇中超聲波清洗5 15分鐘。
全文摘要
本發明提供了一種提高TiAl-Nb合金耐液鋅腐蝕性能的預處理方法，屬於金屬間化合物技術領域。其特徵是對TiAl-Nb合金進行特別的石英封管，然後在900°C~1050°C溫度下保溫12~20小時，從而提高合金的耐液鋅腐蝕性能，對石英封管的操作包括SiO2或TiO2高溫下穩定的氧化物粉末包裹合金樣品和抽真空兩部分。包裹合金樣品的粉末粒度為60~100目，純度99%以上，在封管之前先將粉末在900~1100°C進行8~24小時的灼燒除氣處理。石英管的真空度為1×10-3Pa~2×10-3Pa。本發明的方法無需使用其它材料製備塗層，工藝簡單，提升效果顯著，對於TiAl-Nb合金在熱浸鍍鋅鋅鍋部件中的應用有特別重要的作用。
文檔編號C23C24/08GK102352504SQ20111030305
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月10日 優先權日2011年10月10日
發明者何新玉, 孫鵬飛, 張來啟, 張立, 林均品, 梁永鋒, 郝國建 申請人:北京科技大學