CN112663012B - 一种tc11钛合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TC11钛合金复合材料及其制备方法。所述TC11钛合金复合材料包含TC11钛合金以及在TC11钛合金表面制备的Mo‑Si‑Ti合金层，所述Mo‑Si‑Ti合金层包括Ti‑Al‑Si‑Mo扩散层和Mo‑Si‑Ti沉积层。本发明在TC11钛合金表面制备Mo‑Si‑Ti合金层，Mo‑Si‑Ti合金层与TC11钛合金表现为冶金结合，结合强度高，得到的TC11钛合金复合材料具有抗高温氧化性能，提高钼硅化物涂层在航空发动机中的应用，同时抑制TC11钛合金存在的“钛火”问题。

Description

一种TC11钛合金复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金材料及制备方法，特别涉及一种TC11钛合金复合材料及其制备方法。

背景技术

TC11钛合金是一种α+β型钛合金，具体成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。TC11钛合金比强度高、热加工工艺性能良好，且耐腐蚀性强、热膨胀系数低、热导率低，在500℃下可以长时间使用。但是，随着航空发动机推重比和涡前温度的不断提高，发动机零件的工作条件变得更为复杂和苛刻，所处温度也越来越高，因此TC11钛合金在使用过程中面临着严重的高温氧化问题。高温氧化过程中，TC11钛合金表面氧化膜主要是氧化钛、氧化铝组成的混合氧化物，由于氧化钛较为疏松且孔隙较多，所以导致氧化钛成为氧内扩散的传输通道，并且降低氧化膜的附着力，从而使得TC11钛合金的抗氧化能力比较差。此外，TC11钛合金抗高温氧化性能差也是导致“钛火”发生的关键问题。当钛合金被加热到较高温度形成TiO₂的同时也会产生Ti₃O₅、Ti₂O₃，TiO₂的密度显著小于低价氧化物Ti₃O₅、Ti₂O₃的密度，所以在氧化过程的交换反应中，TiO₂氧化膜破裂失去密封作用，内部金属大量暴露出来，氧气的输送速度急剧增大，使得短时间内热量生产远大于热量损失，热量析出速度超过热量损失速度，造成温度急剧升高，氧化转变为燃烧，因此，提高TC11钛合金的抗高温氧化性能对于提升航空发动机性能，解决“钛火”问题至关重要。

难熔金属硅化物具有高熔点(高于2000℃)，在1600℃下还具有良好的热稳定性和抗氧化性能，因而受到特别的关注，也成为超高温结构材料研究的新热点之一。受可加工性能以及高温性能的影响，目前研究较多的为钼硅化物。钼硅化合物有三种：MoSi₂、Mo₅Si₃(T1)和Mo₃Si，其中MoSi₂具有熔点高(2050℃)、密度低(6.31g/cm²)、热膨胀系数低、热导率高、耐腐蚀性能好等优点。但是MoSi₂的室温韧性低，较低的高温强度；以及MoSi₂在400～600℃范围内抗氧化性能极差。Mo₅Si₃(熔点2180℃)具有很强的蠕变强度高，其高温抗蠕变性能远优于MoSi₂，但其高温抗氧化性能很差，易形成多孔的氧化膜和Mo的挥发性氧化物，以及在中温下有“pesting”现象，无法单独用作高温结构材料。研究人员发现添加少量B可极大提高Mo₅Si₃的抗氧化性，并且消除了中温“pesting”现象，然而，Mo-Si-B合金在室温下比较脆，且在低于1000℃的温度下，Mo-Si-B合金依然存在“pesting”现象，该现象严重影响Mo-Si-B合金的工业化应用。当温度超多950℃时，B₂O₃蒸发会使得氧化膜产生大量的气孔，这些气孔会进一步加速MoO₃的蒸发，从而加剧合金的氧化。此外，Mo-Si-B合金密度非常高，约为9.5g/cm³，而镍基高温合金的密度为8.2-9g/cm³。高密度Mo-Si-B合金在航空发动机中的应用，无疑会增加发动机重量，降低发动机推重比，因此，通过Mo-Si-B合金来大范围代替TC11钛合金应用于航空发动机零部件上是不可行的。2018年出版的《材料工程》，第46卷第2期中“Nb-Si基合金表面Mo-Si-B涂层制备及抗氧化性能”公开了利用***喷涂结合包埋渗的方法在Nb-Si合金表面制备Mo-Si-B涂层，提高其抗高温氧化性能。然而，目前用来制备Mo-Si-B涂层的工艺同样存在一些缺点。通过喷涂工艺制备的涂层结合力较差。Mo、Si、B均为高熔点元素，利用包埋渗制备Mo-Si-B涂层时需要较高的工艺温度。然而，温度较高会影响到基体的综合性能。此外，B元素的存在，使得Mo-Si-B涂层在高温氧化过程依然产生B₂O₃，降低涂层的抗氧化性能。

双层辉光等离子合金化技术为含高熔点元素的多元素合金层在较低温度下的制备提供了技术支持。双层辉光等离子合金化技术是在真空环境下利用源极(靶材)辉光溅射，将靶材中原子或离子轰击出来，并高速飞向阴极(工件)表面。同时，利用阳极与阴极间的辉光放电，使工件加热、吸收扩散活性金属原子(离子)，从而使工件表面形成一个含有靶材元素成分的涂层。涂层制备过程中，靶材及基体温度仅为900～950℃，该温度远低于Mo(2620℃)、Si(1414℃)、Ti(1668℃)的熔点。同时，利用双层辉光等离子合金化技术所制备的合金层与基体呈冶金结合，扩散层的存在大幅度提高了合金层与基体的结合力。然而，Si元素具有较低的溅射率，该现象严重影响了合金层中Si元素的含量。在通过双层辉光等离子合金化技术所制备Mo-Si-Ti合金层过程中，靶材中Si元素溅射率明显低于Mo、Ti元素，该现象使得在TC11钛合金表面所制备的Mo-Si-Ti合金层成分与Mo-Si-Ti靶材存在严重偏差，特别是合金层中Si元素含量严重低于靶材中的Si含量。对于Mo-Si-Ti合金层，当Si含量较低时，氧化过程中氧化膜中SiO₂含量较少，难以起到优异的抗高温氧化效果。如果为了提高Mo-Si-Ti合金层中的Si含量，而选用高Si含量的Mo-Si-Ti靶材，则使得所制备的Mo-Si-Ti合金层中Mo、Ti含量降低，这同样使得合金层难以起到优异的抗高温氧化效果。

离子注入技术是近年来发展迅速的重要表面改性技术，该技术将靶材的原子电离，在几十至几百千伏的高压加速场下加速，获得较高的动能，直接注入到基体材料表面。离子注入不同于任何热扩散过程，通过该技术几乎可以注入任何元素且不受溶解度和扩散系数的影响。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种TC11钛合金复合材料及其制备方法。通过在TC11钛合金表面制备抗高温氧化Mo-Si-Ti合金层，解决了TC11钛合金抗高温氧化性能不足的问题。

技术方案：本发明所述的一种TC11钛合金复合材料，包含TC11钛合金以及在TC11钛合金表面制备的Mo-Si-Ti合金层，所述Mo-Si-Ti合金层包括Ti-Al-Si-Mo扩散层和Mo-Si-Ti沉积层。

本发明在TC11钛合金表面制备Mo-Si-B涂层，保证TC11钛合金基体优良性能的同时，提高TC11钛合金的抗高温氧化性能，利用Ti元素在Mo_ss相和硅化物中具有很高的溶解度，并且Ti固溶于硅化物中可有效提高这些硅化物的抗高温氧化性能，一定含量的Ti可以稳定Mo₅Si₃相，(Ti,Mo)₅Si₃相通过促进形成SiO₂和TiO₂混合氧化膜，从而提高抗高温氧化性能，在(Ti,Mo)₅Si₃中，Mo的迁移率以及氧化钼形成的驱动力均很低，减少了氧化过程中MoO₃或MoO₂的生成，从而减少由于MoO₃的蒸发所造成氧化膜中孔洞以及裂纹的形成，抑制“pesting”现象的发生。因此，本发明制备的TC11钛合金复合材料，以Ti代替B制备Mo-Si-Ti涂层可以有效解决Mo-Si-B涂层存在的问题，具有抗高温氧化性能。

所述TC11钛合金复合材料通过以下方法制备：

(1)利用离子注入方法在TC11钛合金表面注入Si离子；

(2)利用电子束处理方法对注入Si离子后的TC11钛合金表面进行重熔处理；

(3)对电子束重熔处理后的TC11钛合金表面进行第二次Si离子注入；

(4)通过双层辉光等离子合金化方法在经过处理后的TC11钛合金表面制备Mo-Si-Ti合金层。

本发明将离子注入方法、电子束处理方法、双层辉光等离子合金化方法结合起来，制备的抗高温氧化Mo-Si-Ti合金层，即在利用离子注入方法在TC11钛合金表面注入Si离子，然后利用电子束处理方法对Si注入后的TC11钛合金表面进行重熔处理，在经电子束重熔处理的合金表面再次注入Si离子，随后通过双层辉光等离子合金化方法在处理后的合金表面制备Mo-Si-Ti合金层，得到TC11钛合金复合材料。

本发明利用离子注入方法在TC11钛合金表面注入一定剂量的Si离子，在Mo-Si-Ti合金层制备过程中，注入的Si元素逐渐向合金层方向扩散，增加合金层中的Si含量，高温氧化过程中，注入的Si离子继续向合金层扩散，促进形成以SiO₂为基并包含一定量TiO₂的保护性氧化膜，从而提高TC11钛合金基体的抗高温氧化性能。

通过电子束处理方法对Si离子注入后TC11钛合金表面进行重熔处理。一方面，电子束重熔处理可以促进TC11钛合金表面注入的Si成分均匀化，同时，离子注入处理后继续对注入层进行电子束处理，可以增加Si元素的存在深度，解决了离子注入处理Si注入层很浅的缺点；另一方面，TC11钛合金表面经电子束处理后，细化TC11钛合金表面晶粒尺寸，晶粒尺寸减小，晶粒尺寸降低后，伴随着晶界数量及缺陷的增加，从而为元素扩散提供了更多的通道，降低扩散激活能，从而促进Si元素通过晶界及其他缺陷向合金层扩散。利用电子束处理方法对TC11钛合金表面进行重熔处理。对电子束重熔处理后的TC11钛合金表面继续进行第二次Si离子注入，使得成分均匀化的同时TC11钛合金表面获得高浓度的Si。TC11钛合金表面高浓度的Si，一方面为Mo-Si-Ti合金层制备过程中提供充足Si来源；另一方面即使氧化过程中Mo-Si-Ti合金层被损耗，TC11钛合金依然具备一定的抗高温氧化性能。

利用双层辉光等离子合金化方法在TC11钛合金表面制备Mo-Si-Ti合金层，起到提高基体抗高温氧化性能的目的。

优选地，步骤(1)中，所述Si离子的注入剂量为5.5～7×10¹⁶ions/cm²，注入电压为65～70kV。

优选地，步骤(2)中，所述TC11钛合金表面电子束重熔的区域深度为0.4-0.5mm。

优选地，步骤(3)中，所述Si离子注入剂量为4.5～6×10¹⁷ions/cm²，注入电压65～70kV。

优选地，步骤(4)中，所述双层辉光等离子合金化方法所用的靶材为Mo-Si-Ti靶材，Mo-Si-Ti靶材中各成分原子百分比为30-35％Si，43-45％Ti，余量为Mo。

优选地，步骤(2)中，所述电子束处理方法的工艺参数为，加速电压45～65kV，电子束电流6～9mA，聚焦电流450～550mA，下束时间2～3s，电子束扫描方式为线扫描方式，扫描频率为150-180Hz，功率密度1200～1400W/mm²。

优选地，所述Mo-Si-Ti合金层的厚度为18-25μm，所述Mo-Si-Ti合金层包括2-4μm厚度的Ti-Al-Si-Mo扩散层以及16-21μm厚度的沉积层。

优选地，步骤(4)中，双层辉光等离子合金化方法的工艺参数为，靶材电压：940～960V；工件电压：350～380V；氩气气压：38～45Pa；靶材与工件间距：20～25mm；保温时间：4～4.5h。

本发明所述的一种TC11钛合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(S1)利用离子注入方法在TC11钛合金表面注入Si离子；

(S2)利用电子束处理方法对注入Si离子后的TC11钛合金表面进行重熔处理；

(S3)对电子束重熔处理后的TC11钛合金表面进行第二次Si离子注入；

(S4)通过双层辉光等离子合金化方法在经过处理后的TC11钛合金表面制备Mo-Si-Ti合金层。

优选地，步骤(S1)中，所述Si离子的注入剂量为5.5～7×10¹⁶ions/cm²，注入电压为65～70kV；

优选地，步骤(S2)中，所述电子束处理方法的工艺参数为，加速电压45～65kV，电子束电流6～9mA，聚焦电流450～550mA，下束时间2～3s，电子束扫描方式为线扫描方式，扫描频率为150-180Hz，功率密度1200～1400W/mm²。

优选地，步骤(S2)中，所述TC11钛合金表面电子束重熔的区域深度为0.4-0.5mm。

优选地，步骤(S3)中，所述Si离子注入剂量为4.5～6×10¹⁷ions/cm²，注入电压65～70kV。

优选地，步骤(S4)中，所述双层辉光等离子合金化方法所用的靶材为Mo-Si-Ti靶材，Mo-Si-Ti靶材中各成分原子百分比为30-35％Si，43-45％Ti，余量为Mo。

优选地；步骤(S1)为：将TC11钛合金放入离子注入设备腔室中，并抽本底真空，启动离子注入设备离子源控制柜，升电弧电压至65-90V，预热；开频率控制开关，调节触发频率至10-12Hz，待起弧后，调节抑制电压至0.6-0.8kV，引出电压至65-70kV；通过控制触发频率、电弧电压、抑制电压和引出电压，将抑制电流调至1mA，引出电流调至2.5-4.5mA，注入Si离子，注入时间为3-4.5小时，注入剂量为5.5～7×10¹⁶ions/cm²；待TC11钛合金温度随炉冷却至室温后取出试样。

优选地；步骤(S3)为：将电子束重熔处理后的TC11钛合金放入离子注入设备腔室中，并抽本底真空，启动离子注入设备离子源控制柜，升电弧电压至65-100V，预热；开频率控制开关，调节触发频率至11-13Hz，待起弧后，调节抑制电压至0.85-1kV，引出电压至65-70kV；通过控制触发频率、电弧电压、抑制电压和引出电压，将抑制电流调至1mA，引出电流调至4.5-6mA，注入时间为5-6.5小时，注入剂量为4.5～6×10¹⁷ions/cm²，待TC11钛合金温度随炉冷却至室温后取出试样。

优选地；步骤(S4)中，双层辉光等离子合金化方法的工艺参数为，靶材电压：940～960V；工件电压：350～380V；氩气气压：38～45Pa；靶材与工件间距：20～25mm；保温时间：4～4.5h。

优选地，步骤(S4)中，所用的靶材为Mo-Si-Ti靶材，Mo-Si-Ti靶材中各成分原子百分比为30-35％Si，43-45％Ti，余量为Mo。

有益效果：(1)本发明在TC11钛合金表面制备Mo-Si-Ti合金层，Mo-Si-Ti合金层与TC11钛合金表现为冶金结合，结合强度高；(2)本发明Mo-Si-Ti合金层中Ti元素的添加可以稳定涂层中钼硅化物，促进形成SiO₂和TiO₂混合氧化膜，从而提高抗高温氧化性能，且Ti元素的添加可以降低合金层中Mo的迁移率以及氧化钼形成的驱动力，减少了氧化过程中MoO₃或MoO₂的生成，从而减少由于MoO₃的蒸发所造成氧化膜中孔洞以及裂纹的形成，减少“pesting”现象的发生；(3)本发明通过离子注入方法在TC11钛合金表面注入Si离子，然后通过电子束处理方法对Si离子注入后的TC11钛合金表面进行重熔处理，Si离子注入提高TC11钛合金表面的Si含量，Mo-Si-Ti合金层制备过程中Si通过扩散提高合金层中的Si含量，有利于氧化过程中形成以SiO₂为基的保护性氧化膜，通过电子束重熔处理一方面有利于Si离子注入后TC11钛合金表面Si的成分均匀化，同时，重熔处理可以增加Si元素的存在深度，解决了离子注入处理Si注入层很浅的缺点，且电子束重熔可以使TC11钛合金表面晶粒细化，促进Si的扩散；(4)本发明在电子束重熔处理后继续对TC11钛合金表面进行Si离子注入，使得TC11钛合金表面存在高浓度的Si含量，合金层制备过程中通过扩散为Mo-Si-Ti合金层提供所需含量的Si元素；(5)本发明通过Si离子注入使得TC11钛合金表面的Si含量增加，这使得氧化过程中即使Mo-Si-Ti合金层被损耗，TC11钛合金依然具备一定的抗高温氧化性能；(6)本发明将离子注入方法、电子束处理方法和双层辉光等离子合金化方法结合制备Mo-Si-Ti合金层，有效解决了TC11钛合金抗氧化性能不足，且解决了仅通过双层辉光等离子合金化方法所制备的Mo-Si-Ti合金层Si含量较低以及钼硅化物抗氧化性能不足的问题，有效提高了钼硅化物合金层在TC11钛合金中的应用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

(1)TC11钛合金打磨抛光至表面粗糙度低于0.1μm，清洗干净后，将TC11钛合金放入离子注入设备腔室中，并抽本底真空为4.3×10^-5.8Pa，启动离子注入设备离子源控制柜，升电弧电压至65V，预热；开频率控制开关，调节触发频率至10Hz，待起弧后，调节抑制电压至0.6kV，引出电压至65kV；通过控制触发频率、电弧电压、抑制电压和引出电压，将抑制电流调至1mA，引出电流调至2.5mA，注入Si离子，注入时间为3小时，注入剂量为5.9×10¹⁶ions/cm²；待TC11钛合金温度随炉冷却至室温后取出试样。

(2)打开机械泵和分子泵对腔室和电子枪室进行抽真空，腔室真空抽至2.8×10^{- 4}Pa，电子枪室真空抽至1.4×10^-3Pa，加速电压45kV，电子束电流6mA，聚焦电流450mA，扫描方式为线扫描，扫描频率为150Hz，功率密度1200W/mm²，下束时间2s，下束。扫描完成，开炉取样。

(3)将电子束重熔处理后的TC11钛合金放入离子注入设备腔室中，并抽本底真空低于4.3×10^-5.8Pa，启动离子注入设备离子源控制柜，升电弧电压至65V，预热；开频率控制开关，调节触发频率至11Hz，待起弧后，调节抑制电压至0.85kV，引出电压至65kV；通过控制触发频率、电弧电压、抑制电压和引出电压，将抑制电流调至1mA，引出电流调至4.5mA，注入Si离子，注入时间为5小时，注入剂量为4.9×10¹⁷ions/cm²；待TC11钛合金温度随炉冷却至室温后取出试样。

(4)将TC11钛合金和Mo-Si-Ti合金靶材装入双辉等离子表面合金化装置中，以TC11钛合金为工件极，以Mo-Si-Ti合金靶材为源极，靶材中各成分原子百分比为22％Mo，35％Si，43％Ti；抽真空至极限真空度，送入氩气，制备Mo-Si-Ti合金层，工艺参数为：

靶材电压：940V；

工件电压：350V；

氩气气压：38Pa；

靶材与工件间距：25mm；

保温时间：4h。

停止辉光，断电，完成TC11钛合金表面Mo-Si-Ti合金层的制备。通过扫描电镜分析本实施例制备的Mo-Si-Ti合金层厚度，得到的Mo-Si-Ti沉积层厚16μm，互扩散层厚为2μm。

性能测试：Mo-Si-Ti合金层制备结束后，将包含合金层的TC11钛合金放入马弗炉中进行1050℃高温氧化试验，通过高温氧化试验，通过X射线衍射和扫描电镜测得涂层的氧化膜为以SiO₂为主弥散分布着TiO₂氧化膜，表现出良好的抗高温氧化性能，氧化100h后合金氧化增重仅增加至3.25mg/cm²。

实施例2：

(1)TC11钛合金打磨抛光至表面粗糙度低于0.1μm，清洗干净后，将TC11钛合金放入离子注入设备腔室中，并抽本底真空为4.3×10^-5.8Pa，启动离子注入设备离子源控制柜，升电弧电压至90V，预热；开频率控制开关，调节触发频率至12Hz，待起弧后，调节抑制电压至0.8kV，引出电压至70kV；通过控制触发频率、电弧电压、抑制电压和引出电压，将抑制电流调至1mA，引出电流调至4.5mA，注入时间为4.5小时，注入剂量为7×10¹⁶ions/cm²；待TC11钛合金温度随炉冷却至室温后取出试样。

(2)打开机械泵和分子泵对腔室和电子枪室进行抽真空，腔室真空抽至2.8×10^{- 4}Pa，电子枪室真空抽至1.4×10^-3Pa，加速电压65kV，电子束电流9mA，聚焦电流550mA，扫描方式为线扫描，扫描频率为180Hz，功率密度1400W/mm²，下束时间3s，下束。扫描完成，开炉取样。

(3)将电子束重熔处理后的TC11钛合金放入离子注入设备腔室中，并抽本底真空低于4.3×10^-5.8Pa，启动离子注入设备离子源控制柜，升电弧电压至100V，预热；开频率控制开关，调节触发频率至13Hz，待起弧后，调节抑制电压至1kV，引出电压至70kV；通过控制触发频率、电弧电压、抑制电压和引出电压，将抑制电流调至1mA，引出电流调至6mA，注入时间为6.5小时，注入剂量为6×10¹⁷ions/cm²；待TC11钛合金温度随炉冷却至室温后取出试样。

(4)将TC11钛合金和Mo-Si-Ti合金靶材装入双辉等离子表面合金化装置中，以TC11钛合金为工件极，以Mo-Si-Ti合金靶材为源极，靶材中各成分原子百分比为22％Mo，35％Si，43％Ti；抽真空至极限真空度，送入氩气，制备Mo-Si-Ti合金层，工艺参数为：

靶材电压：960V；

工件电压：380V；

氩气气压：45Pa；

靶材与工件间距：20mm；

保温时间：4.5h。

停止辉光，断电，完成TC11钛合金表面Mo-Si-Ti合金层的制备。通过扫描电镜分析本实施例制备的Mo-Si-Ti合金层厚度，得到的Mo-Si-Ti沉积层厚21μm，互扩散层厚为4μm。

性能测试：Mo-Si-Ti合金层制备结束后，将包含合金层的TC11钛合金放入马弗炉中进行1050℃高温氧化试验，通过高温氧化试验，通过X射线衍射和扫描电镜测得涂层的氧化膜为以SiO₂为主并弥散分布TiO₂氧化膜，表现出良好的抗高温氧化性能，氧化100h后合金氧化增重仅增加至2.97mg/cm²。

对比例1：

对表面未制备Mo-Si-Ti合金层的TC11钛合金在马弗炉中进行1050℃、100h高温氧化试验。试验结束后，通过X射线衍射和扫描电镜测得TC11钛合金表面为Al₂O₃和TiO₂混合氧化膜，氧化膜表面存在大量裂纹以及剥落现象，氧化增重为5.69mg/cm²。未经处理的TC11钛合金表现出很差的抗高温氧化性能。

对比例2：

通过双层辉光等离子合金化技术在未进行Si离子注入处理以及电子束重熔处理的TC11钛合金表面直接制备Mo-Si-Ti合金层。

将TC11钛合金和Mo-Si-Ti合金靶材装入双辉等离子表面合金化装置中，以TC11钛合金为工件极，以Mo-Si-Ti合金靶材为源极，靶材中各成分原子百分比为22％Mo，35％Si，43％Ti；抽真空至极限真空度，送入氩气，制备Mo-Si-Ti合金层，工艺参数为：

靶材电压：940V；

工件电压：350V；

氩气气压：38Pa；

靶材与工件间距：25mm；

保温时间：4h。

停止辉光，断电，完成TC11钛合金表面Mo-Si-Ti合金层的制备。

对仅经过Mo-Si-Ti合金化处理后的TC11钛合金在马弗炉中进行1050℃、100h高温氧化试验。试验结束后，通过X射线衍射和扫描电镜测得Mo-Si-Ti合金层表面为SiO₂和TiO₂混合氧化膜，但是合金层中Si含量不足导致氧化膜中TiO₂含量较多。过多的TiO₂含量可以为O的内扩散提供通道，所以含有较多TiO₂的混合氧化膜降低了Mo-Si-Ti合金层的抗高温氧化效果。氧化100h后合金氧化增重仅增加至4.71mg/cm²，明显高于实施例1和实施例2中的氧化增重。

Claims (9)

1.一种TC11钛合金复合材料，其特征在于，包含TC11钛合金以及在TC11钛合金表面制备的Mo-Si-Ti合金层，所述Mo-Si-Ti合金层包括Ti-Al-Si-Mo扩散层和Mo-Si-Ti沉积层；

所述TC11钛合金复合材料通过以下方法制备：

（1）利用离子注入方法在TC11钛合金表面注入Si离子；

（2）利用电子束处理方法对注入Si离子后的TC11钛合金表面进行重熔处理；

（3）对电子束重熔处理后的TC11钛合金表面进行第二次Si离子注入；

（4）通过双层辉光等离子合金化方法在经过处理后的TC11钛合金表面制备Mo-Si-Ti合金层。

2.根据权利要求1所述的TC11钛合金复合材料，其特征在于，步骤（1）中，所述Si离子的注入剂量为5.5~7×10¹⁶ ions/cm²，注入电压为65~70 kV。

3.根据权利要求1所述的TC11钛合金复合材料，其特征在于，步骤（2）中，所述TC11钛合金表面电子束重熔的区域深度为0.4-0.5mm。

4.根据权利要求1所述的TC11钛合金复合材料，其特征在于，步骤（3）中，所述Si离子注入剂量为4.5~6×10¹⁷ ions/cm²，注入电压65~70 kV。

5.根据权利要求1所述的TC11钛合金复合材料，其特征在于，步骤（4）中，所述双层辉光等离子合金化方法所用的靶材为Mo-Si-Ti靶材，Mo-Si-Ti靶材中各成分原子百分比为30-35%Si，43-45%Ti，余量为Mo。

6.根据权利要求1所述的TC11钛合金复合材料，其特征在于，步骤（2）中，所述电子束处理方法的工艺参数为，加速电压45~65kV，电子束电流6~9mA，聚焦电流450~550mA，下束时间2~3s，电子束扫描方式为线扫描方式，扫描频率为150-180Hz，功率密度1200~1400W/mm²。

7.根据权利要求1所述的TC11钛合金复合材料，其特征在于，所述Mo-Si-Ti合金层的厚度为18-25 μm，所述Mo-Si-Ti合金层包括2-4 μm厚度的Ti-Al-Si-Mo扩散层以及16-21 μm厚度的沉积层。

8.根据权利要求1所述的TC11钛合金复合材料，其特征在于，步骤（4）中，双层辉光等离子合金化方法的工艺参数为，靶材电压：940～960 V；工件电压：350～380 V；氩气气压：38～45 Pa；靶材与工件间距：20~25 mm；保温时间：4~4.5 h。

9.一种TC11钛合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（S1）利用离子注入方法在TC11钛合金表面注入Si离子；

（S2）利用电子束处理方法对注入Si离子后的TC11钛合金表面进行重熔处理；

（S3）对电子束重熔处理后的TC11钛合金表面进行第二次Si离子注入；

（S4）通过双层辉光等离子合金化方法在经过处理后的TC11钛合金表面制备Mo-Si-Ti合金层。