CN102199785B

CN102199785B - 一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液及其应用

Info

Publication number: CN102199785B
Application number: CN 201110179072
Authority: CN
Inventors: 马凤仓; 刘平; 李伟; 刘新宽; 陈小红; 何代华; 杨丽红; 曹雪
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-06-29
Also published as: CN102199785A

Abstract

本发明公开了一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液及其应用。所述的溶液包括溶质和溶剂，溶质为KOH、Na₂SiO₃、NaF、三乙醇胺及Na₂B₄O₇，溶剂为去离子水。所述的应用即钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液对钛合金样品表面进行微弧氧化获得具有耐磨涂层的钛合金，即包括钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液的配制，钛合金样品表面除油、清洗，微弧氧化及微弧氧化后的钛合金表面的清洗及干燥等4个步骤。本发明的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液在较高的电压和电流下快速成膜，从而显著提高了氧化膜的生长效率，且微弧氧化后形成的耐磨涂层硬度高，达到HV700以上，从涂层的生长效率及涂层的硬度和耐磨性上，优于现有微弧氧化工艺。

Description

一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液及其应用

技术领域

本发明涉及一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液及应用其对钛合金表面进行微弧氧化获得耐磨涂层的方法。

背景技术

钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀性、良好的高温性能等, 是新兴的结构和功能材料。目前主要用在航空航天、航海、石油、化工、轻工、冶金、汽车、建筑和医学等领域。但是, 钛合金的普遍缺点就是硬度低、耐磨性能差。纯钛的硬度约为150～200Hv , 钛合金通常不超过350Hv。这样的硬度值在很多情况下不能满足实际生产应用的要求。提高钛合金耐磨性的途径有两种：合金化或表面改性。由于合金化成本较高，因此表面改性的方法受到越来越多的关注。

提高钛合金表面改性的方法主要有：激光融覆表面处理。常用的融覆体系有Ti + B4C、Ti + TiC、Ti + BN、Ti + TiN。该方法可以提高钛合金表面的性能, 并且处理速度快、使用范围广。但是这样得到的表面一般都很粗糙, 光洁度差, 在融覆层和基体之间很容易引起开裂, 融覆层内部也会出现气孔和裂纹, 且设备昂贵。表面沉积涂层法，分为CVD法和PVD法。目前借助CVD 法在钛基体上沉积TiC、TiB、Ti (C ,N) 等涂层可以极大地提高钛合金的表面性能, 获得高硬度、耐磨性好、耐高温和耐腐蚀的表面。但是CVD一般要在较高的温度(1000～1100℃)下进行, 容易引起基体组织的结晶、再长大等变化, 降低工件的强度和影响工件形状尺寸。在这样温度下涂层与基体界面形成的是脆性层,涂层与基体容易产生脆性破裂。PVD法, 目前利用PVD法已经可以在钛基体表面得到TiN、TiC、SiC、Ti (C,N) 等涂层。但是该方法成膜速度比较慢,制备效率较低，成本很高。近年来出现的微弧氧化技术，通过电解液与相应电参数的组合，可以在铝、镁、钛合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出陶瓷膜层。微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，且膜层普遍表现出良好的耐磨、耐腐蚀等特性。钛合金微弧氧化的关键在于溶液的配方和工艺的结合。溶液配方和工艺不仅影响涂层生长效率还影响涂层的结构、成分和性能，如导电性好的溶液在较低的电压下就可使钛表面获得较大的电流密度，从而使钛起弧；而溶液中的电解质会进入涂层，影响涂层的成分和性能。该发明的目的在于提供一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液配方和氧化工艺，属于新工艺新配方。

经查新，共检索到钛合金微弧氧化有关专利如下：

申请号为CN01113982.X的专利公开了一种钛合金耐磨层的氧化溶液配方和工艺。该申请是将零件置于主要由硫酸组成的酸性槽液中做阳极，在低温下通过调节脉冲电源的脉冲时间及跟踪频率，升压至高于120V时可形成2～12μm的氧化膜。该膜层硬度高，可提高零件的耐磨性。该方法属于阳极氧化的范畴，采用的电压较低，溶液的导电性不高，因此氧化速度慢，膜层形成的效率较低。

申请号为CN200910308780.5的专利公开了一种钛合金微弧氧化涂层的制备方法。该方法如下：将钛合金在双极性脉冲微弧氧化电源功率为5kw～6kw、电压为250V～400V、频率为200Hz～400Hz、占空比为8％～15％的条件下在含有硅酸钠10～20g/L,磷酸钠10～20g/L，氟化钠2～5g/L，硼酸钠2～5g/L，甘油5～10ml/L电解质水溶液中氧化处理5分钟～30分钟，得到厚度为3μm～15μm的微弧氧化涂层。该方法所得的微弧氧化涂层具有良好的耐磨损性能。

申请号为CN201010240258.0的专利公开了一种提高钛合金微弧氧化膜生长速度的方法，其特征是微弧氧化溶液为：Na₂SiO₃ 6g/L，NaAlO₂ 4g/L和NaOH 1g/L，并加入0.5-6g/L的纳米Al粉或纳米Cr粉，进行微弧氧化实验，电流密度4-6A/dm²，时间10-60min。该方法采用了导电性较好的溶液，在相同的沉积工艺条件下，可使钛合金微弧氧化膜的生长速度提高1-3倍。

申请号为CN03132586.6的专利公开了一种钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法。该方法中电解液配方为：3-10g/L的铝酸钠、1-3g/L的次亚磷酸盐和水制成电解液，控制电解液温度在10-40℃，钛表面电流密度为4-8A/dm²。该方法在钛合金表面直接形成与基体结合强度高的高硬度陶瓷涂层。

发明内容

本发明的目的之一是为了克服现有技术的不足，提供一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液。

本发明的目的之二是为了提供一种用上述的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液对钛合金表面进行微弧氧化的方法。该方法效率高、对钛合金基体性能影响小、成本低、形成的涂层硬度高、耐磨性好。

本发明的技术方案

一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液，包括溶质和溶剂，其特征在于溶质为KOH、Na₂SiO₃、NaF、三乙醇胺及Na₂B₄O₇，溶剂为去离子水。各溶质的浓度优选为 KOH：3g/L,Na₂SiO₃：5g/L,NaF：3g/L,三乙醇胺：3g/L,Na₂B₄O₇: 1g/L。

上述的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液的制备方法，其特征在于将各溶质加入去离子水后搅拌均匀即得本发明的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液。

上述的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液对钛合金样品表面进行微弧氧化获得具有耐磨涂层的钛合金的方法，即首先将钛合金样品表面除油、清洗后，放在上面所述的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液溶液中，采用直流脉冲电源微弧氧化；

所述的微弧氧化过程控制电流密度为3-5A/dm²，电解液温度小于60℃，时间为5-30min；

微弧氧化后的钛合金样品表面形成耐磨涂层，再用清水清洗后自然干燥，最终得到具有耐磨涂层的钛合金。

本发明的优选的实施例中的钛合金样品选用Ti-6Al-4V合金，但并不限制本发明的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液在其他钛合金样品微弧氧化过程的应用。

本发明的有益效果

本发明的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液由于改进了溶液的微弧放电特性,在较高的电压和较大电流下快速成膜从而显著提高了氧化膜的生长效率。现有技术中钛合金在常用的条件下阳极氧化1小时后，涂层的厚度普遍小于10um，而采用本发明的微弧氧化处理，5～30分钟后在钛合金表面形成的耐磨涂层厚度在10-40um。

且本发明的钛合金微弧氧化处理形成的耐磨涂层中引入了提高硬度的硅、硼等元素，微弧氧化后的涂层硬度高，达到HV700以上。从涂层的生长效率及涂层的硬度和耐磨性上，均优于现有微弧氧化工艺。

另外，本发明的钛合金微弧氧化处理形成耐磨涂层过程，由于避免了热喷涂或等离子喷涂耐磨涂层时钛合金基体在高温下长时间停留造成的晶粒长大等问题，因此，该方法形成的耐磨涂层对钛合金基体性能影响小、且由于本发明的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液配方采用的化学原料价格低，因此，采用该方法制备耐磨涂层具有成本低的优点。

附图说明

图1、应用实施例1 所得的钛合金微弧氧化后表面形貌图

图2、应用实施例1所得的钛合金微弧氧化后侧面形貌图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

本发明所用微弧氧化电源，WHD-30,30千瓦，哈尔滨工业大学技术研究院；

涂层硬度测试计，HV-1000型显微硬度计，中国科学院上海光学精密机械研

究所生产。

本发明的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液对所选的钛合金样品在直流脉冲电源上进行微弧氧化后的涂层硬度测试的方法：即选用载荷为200g,载荷保持时间为10s,测量3个点硬度，取平均值。

实施例1

一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液，即用KOH：3g/L,Na₂SiO₃：5g/L,NaF：3g/L,三乙醇胺：3g/L, Na₂B₄O₇：1g/L,用去离子水配制成溶液搅拌均匀。

应用实施例1

钛合金样品选用Ti-6Al-4V合金，表面用10%NaOH水热液除油，清水清洗，用实施例1所得的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液对所选的钛合金样品在直流脉冲电源上进行微弧氧化获得耐磨涂层。

微弧氧化过程控制占空比为20%，电流密度为3A/dm²，电解液温度小于40℃，时间为5min，微弧氧化后的钛合金样品表面形成耐磨涂层，再用清水清洗后自然干燥。

上述的Ti-6Al-4V合金微弧氧化后的获得耐磨涂层表面形貌如图1，从图1中可以看出涂层厚度约12um。Ti-6Al-4V合金微弧氧化后获得耐磨涂层侧面形貌如图2，从图2中可以看出涂层具有多孔结构。

最终所得的Ti-6Al-4V合金微弧氧化后的耐磨涂层，经HV-1000型显微硬度计进行测试，结果显微硬度平均值为HV768。

应用实施例2

钛合金样品选用Ti-6Al-4V合金，表面用10%NaOH水热液除油、清水清洗；用实施例1所得的一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液对其在直流脉冲电源上进行微弧氧化获得耐磨涂层。

微弧氧化过程控制占空比为10%，电流密度为5A/dm²，电解液温度小于60℃，时间为30min，微弧氧化后的钛合金样品表面形成耐磨涂层，用清水清洗后自然干燥。最终所得的Ti-6Al-4V合金微弧氧化后的耐磨涂层厚度为40μm，涂层经HV-1000型显微硬度计进行表面硬度测试，结果显微硬度平均值为HV743。

上述具体实施例只是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种钛合金经微弧氧化获得钛合金耐磨涂层所用的微弧氧化溶液，包括溶质和溶剂，其特征在于溶质为KOH、Na₂SiO₃、NaF、三乙醇胺及Na₂B₄O₇，溶剂为去离子水；所述各溶质的浓度为 KOH：3g/L,Na₂SiO₃：5g/L,NaF：3g/L,三乙醇胺：3g/L,Na₂B₄O₇: 1g/L。

2.如权利要求1所述的微弧氧化溶液的制备方法，其特征在于将各溶质加入去离子水后搅拌均匀即得。

3.用权利要求1所述的微弧氧化溶液对钛合金样品表面进行微弧氧化的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）、微弧氧化溶液的配制；

将各溶质加入去离子水后搅拌均匀，得到微弧氧化溶液；

（2）、钛合金样品表面除油、清洗；

（3）、将步骤（2）经除油、清洗的钛合金放在步骤（1）所配制的微弧氧化溶液中，采用直流脉冲电源微弧氧化；

（4）、微弧氧化后的钛合金样品表面形成耐磨涂层，再用清水清洗后自然干燥，最终得到具有耐磨涂层的钛合金；所述步骤（3）中的微弧氧化过程控制占空比为10～20%，电流密度为3-5A/dm²，电解液温度小于60℃，时间为5-30min。

4.如权利要求3所述的微弧氧化的方法，其特征在于步骤（3）中的微弧氧化过程控制占空比为20%，电流密度为3A/dm²，电解液温度小于40℃，时间为5min。

5.如权利要求3所述的微弧氧化的方法，其特征在于步骤（3）中的微弧氧化过程控制占空比为10%，电流密度为5A/dm²，电解液温度小于60℃，时间为30min。

6.如权利要求3所述的微弧氧化的方法，其特征在于步骤（2）中的钛合金样品表面用10%NaOH水热液除油，清水清洗。