CN100549235C - 一种用电火花结合离子束增强沉积复合改性钛合金表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用电火花结合离子束增强沉积复合改性钛合金表面的方法，包括下述步骤：用有机溶剂在超声波作用下进行清洗，清洗时间为5～10min；将经过时效处理后的钛合金用电火花表面强化器强化处理，处理过程Ar气保护，Ar气流量为8L/min；电极材料为硅青铜或者YG-8型硬质合金；用离子束增强沉积磁控溅射和多弧设备，在经过电火花强化处理过的钛合金表面用氩离子轰击清洗8～12min，沉积过程中也要用氩离子不断轰击已沉积的膜层，沉积用靶材为硅青铜。本发明先在钛合金表面形成耐磨底层，然后在底层上沉积形成减摩润滑层，在提高钛合金表面硬度的同时减小了摩擦系数。

Description

一种用电火花结合离子束增强沉积复合改性钛合金表面的方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面改性方法，特别是用电火花表面强化结合离子束增强沉积对钛合金表面改性的方法。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等优点，在航空、航天、航海、化工、冶金和核工业等领域有着重要的应用，但在某些用途中，因其硬度低、摩擦系数大，导致耐磨性较差，因磨损而引起零、部件的早期失效，严重影响了钛合金的安全使用，并限制了它的应用范围。为此，除合理的结构设计、选择摩擦副和保持良好的润滑条件外，以提高钛合金表面硬度为目的的表面改性技术，被认为是提高钛合金的耐磨性和抗微动损伤性能最有效、最可行的方法。

电火花表面强化是利用电极材料和被强化金属材料间的高能局部脉冲放电，使电极材料快速熔化并迁移到工件表面，通过电极材料和被强化金属材料在局部高温下的物理化学冶金过程，使工件表面重新合金化，形成表面强化层。

专利号为CN03133313.3的中国专利”介绍了一种用石墨电极对钛合金材料表面电火花放电强化处理的方法。该方法是利用硬度小于HS30、电阻率10～25Ωm、不含其它金属杂质、石墨化程度大于50％的石墨材料作正电极，将被处理的钛合金材料接在脉冲电源的负极上，通过脉冲放电强化钛合金材料表面。其工艺参数为：电压50～150V，电流1～5A，放电时间50～200s/cm²，放电频率大于2000Hz，电极震动频率50～100Hz。

该方法虽然能够减小火花放电的烧伤，因此表面粗糙度有一定改善，但是表面粗糙度依然很高，达不到零件表面粗糙度的要求。此外，尽管利用这一方法能够实现C离子与Ti离子的金相重组，但是仅仅能够形成耐磨的硬质相。因此，该方法可提高钛合金的表面硬度和耐磨性，但不能在提高表面硬度同时减小摩擦系数，表面粗糙度依然很高，

发明内容

为了克服现有技术粗糙度高、表面摩擦系数高、表面功能单一的不足，本发明提供一种用电火花结合离子束增强沉积复合改性钛合金表面的方法，可以在提高表面硬度同时减小摩擦系数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用电火花结合离子束增强沉积复合改性钛合金表面的方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)用有机溶剂在超声波作用下进行清洗，清洗时间为5～10min；

2)将经过时效处理后的钛合金用电火花表面强化器强化处理，处理过程Ar气保护，Ar气流量为8L/min；电极材料为硅青铜或者YG-8型硬质合金；

3)用离子束增强沉积磁控溅射和多弧设备，在经过电火花强化处理过的钛合金表面用氩离子轰击清洗8～12min，沉积过程中也要用氩离子不断轰击已沉积的膜层，沉积用靶材为硅青铜。

本发明的有益效果是，由于采用了电火花表面强化与离子束沉积结合方法，先在钛合金表面电火花处理形成硬度和耐磨性高的底层或承力骨架层，然后在承力骨架层上利用离子束沉积形成具有减摩润滑效果的膜层，以达到既提高钛合金材料的表面硬度，又改善摩擦系数和粗糙度的目的，使得钛合金表面抗摩擦磨损得到提高。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1(a)是经硅青铜作为正电极瞬态电能强化与硅青铜离子束沉积结合处理过的Ti17钛合金剖面组织显微照片。

图1(b)是经硬质合金YG-8作为正电极瞬态电能强化与硅青铜离子束沉积结合处理过的Ti17钛合金剖面组织显微照片。

图2是瞬态电能强化与离子束沉积复合强化层硬度与深度的关系曲线，其中(a)为硅青铜作为正电极瞬态电能强化与硅青铜离子束沉积复合强化层硬度与深度的关系曲线，(b)为硬质合金YG-8作为正电极瞬态电能强化与硅青铜离子束沉积复合强化层硬度与深度的关系曲线。

图中，1-钛合金基体2-瞬态电能强化层3-离子束沉积层

具体实施方式

实施例1：首先对钛合金表面进行充分的清洁处理，用丙酮在超声波作用下进行清洗，清洗时间为5min，根据零件大小选用超声波清洗机的大小，只要能够保证表面污染物的去处即可。清洁处理是保证电火花沉积过程中电极材料与钛合金基体形成可靠冶金结合重要步骤，表面污染物的存在将影响电极材料与基体金属之间的冶金反应和扩散，不仅影响沉积层自身的质量，而且降低沉积层与基体之间的结合强度，造成脱落。

电火花瞬态电能。将经过时效处理后的Ti17钛合金用电火花表面强化器强化处理。处理过程Ar气保护，Ar气流量为8L/min；电极材料牌号为QSi3-1硅青铜、截面尺寸为3×3mm；脉冲电源和电极振动频率为50Hz，单脉冲放电电容电压60V，电容容量180μF；强化时间为0.2min/cm²。

离子束增强沉积。采用PIEMAD-03型离子束增强沉积磁控溅射和多弧设备，在经过电火花强化处理过的Ti17钛合金用氩离子轰击清洗8～12min，沉积过程中也要用氩离子不断轰击已沉积的膜层，以达到活化沉积表面，提高膜层结合强度，控制参数为偏压：负400V，Ar分压5.4×10^-1Pa，平面离子源电压418V。沉积用靶材为QSi3-1硅青铜，沉积过程中的控制参数为：磁控靶偏压负665V、电流1A，沉积时间为90min。

如图1(a)所示，经过强化处理后，在Ti17钛合金表面形成与基体呈冶金结合的、表面粗糙度较高的硅青铜瞬态电能强化层2，厚度为10μm，可起到耐磨和支撑作用；经过离子束增强沉积，在Ti17钛合金表面电火花沉积强化层表面就有一层自润滑作用的1～2μm厚硅青铜软质涂层3。

处理后的复合改性层表面硬度约为530Hv，Ti17钛合金的硬度约为350Hv，可见硬度显著增加。Ti17的摩擦系数约为0.5左右；复合改性后的摩擦系数约为0.25，摩擦系数显著减小。Ti17钛合金这样处理后的抗滑动磨损提高三十倍，25～500℃热疲劳后，没有剥落现象，复合强化对Ti17的热疲劳性能影响很小。

实施例2：首先对钛合金表面进行充分的清洁处理，用乙醇在超声波作用下进行清洗，清洗时间为10min。清洁处理是保证电火花沉积过程中电极材料与钛合金基体形成可靠冶金结合重要步骤，表面污染物的存在将影响电极材料与基体金属之间的冶金反应和扩散，不仅影响沉积层自身的质量，而且降低沉积层与基体之间的结合强度，造成脱落。

电火花瞬态电能。将经过时效处理后的Ti17钛合金用电火花表面强化器强化处理。处理过程Ar气保护，Ar气流量为8L/min；电极材料牌号为YG-8型硬质合金、截面尺寸为3×3mm；脉冲电源和电极振动频率为50Hz，单脉冲放电电容电压60V，电容容量180μF；强化时间为0.2min/cm²。

离子束增强沉积。采用PIEMAD-03型离子束增强沉积磁控溅射和多弧设备，在经过电火花强化处理过的Ti17钛合金用氩离子轰击清洗8～12min，沉积过程中也要用氩离子不断轰击已沉积的膜层，以达到活化沉积表面，提高膜层结合强度，控制参数为偏压：负400V，Ar分压5.4×10^-1Pa，平面离子源电压418V。沉积用靶材为QSi3-1硅青铜，沉积过程中的控制参数为：磁控靶偏压负665V、电流1A，沉积时间为90min。

如图1(b)所示，经过强化处理后，在Ti17钛合金表面形成与基体呈冶金结合的、表面粗糙度较高的硬质合金瞬态电能强化层2，厚度为10μm，可起到耐磨和支撑作用；经过离子束增强沉积，在Ti17钛合金表面电火花沉积强化层表面就有一层自润滑作用的1～2μm厚硅青铜软质涂层3。

另外，还对TC4、TC11、Ti153钛合金进行了表面强化，方法同上述实施例。

经过本发明对钛合金表面的复合强化，一方面，软质涂层可部分封填电火花表面强化中的凹凸不平，改善了粗糙度，另一方面，表面形成具有自润滑效果的软质层，在磨损过程中可起到降低摩擦系数、减小磨损的作用。利用该方法在钛合金表面形成复合改性层，软硬适中，由于其既有硬质的强化层起到耐磨和支撑作用，也有软质涂层起到降低摩擦系数、减小磨损的作用，提高了钛合金表面的耐磨性。

Claims (1)

1、一种用电火花结合离子束增强沉积复合改性钛合金表面的方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)用有机溶剂在超声波作用下进行清洗，清洗时间为5～10min；

2)将经过时效处理后的钛合金用电火花表面强化器强化处理，处理过程Ar气保护，Ar气流量为8L/min；电极材料为硅青铜或者YG-8型硬质合金；

3)用离子束增强沉积磁控溅射和多弧设备，在经过电火花强化处理过的钛合金表面用氩离子轰击清洗8～12min，沉积过程中也要用氩离子不断轰击已沉积的膜层，沉积用靶材为硅青铜。

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