CN102634836A - 一种钛合金表面金属基复合陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于表面处理技术领域，其特征是公开了一种金属陶瓷涂层及其在钛合金表面的制备方法。所说的金属陶瓷涂层是一种金属基复合陶瓷膜，其结构为陶瓷相金红石和锐钛矿中包埋有钛金属及其合金的团簇。该方法包括：打磨钛合金表面，清除表面的尤物、灰尘等杂质，对其进行微弧氧化处理；然后采用强流脉冲电子束对其表面进行多次轰击处理，实现表层重熔。本发明能够在钛合金表面制备出硬度高、耐磨性好，结合强度高，力学性能号的金属基强韧陶瓷涂层。

Description

一种钛合金表面金属基复合陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，涉及到钛合金表面涂覆强化处理，特别是涉及一种钛合金表面金属基陶瓷复合涂层的制备方法。
背景技术
钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、无磁、耐热和耐低温性能等优良的性能，能在550 ℃ 高温下和零下 250 ℃低温下长期工作而保持性能不变。因此，钛合金被广泛的应用于航天航空、武器装备、汽车零件、化工、舰船、生物医学等工业部门，被誉为“第三金属”。
然而钛合金硬度低、摩擦系数大、耐磨性差，又是热的不良导体；在恶劣环境中使用时不但会发生由磨损引起的失稳问题，还会造成大量的热量无法散开，引起“钛火”等现象的发生。
微弧氧化技术属于等离子电解沉积技术，与传统表面涂覆方法不同，它是在金属基体表面直接“原位”氧化烧结出硬质氧化物陶瓷涂层，通过 MAO 处理能有效地改善钛合金在苛刻环境中的耐、磨耐、减摩蚀和抗高温氧性能。而且其处理效率高、操作工艺简单、环境污染小、性价比高、适用于自动化生产，在许多领域具有应用前景。然而作为陶瓷涂层其也存在孔隙率高、韧性差，且钛合金微弧氧化涂层过渡层尺寸大，存在明显的界面，结合力较差。
脉冲电子束技术起源于20世纪60年代。直到20世纪80年代，低能强流脉冲电子束才开始在材料表面改性方面获得重视和使用。该技术能够实现较高的能量沉积(0~50J/cm2)使材料表层在时间（ns~102μs）和空间（0μm~102μm）高度压缩的情况下，形成103K数量级的温度场、108~109K/s的退火速率和102~103MPa的应力场，诱发一系列非平衡态的剧烈的物理化学变化，从而提高金属材料表层的硬度、耐磨耐蚀性能，甚至疲劳性能，实现材料表面性能的强化和优化。但由于设备的原因，目前只有俄罗斯，德国，美国，日本等的个别科研单位在这方面进行了一些探索性工作。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的缺陷，提供一种钛合金表面金属基复合陶瓷涂层的制备方法。
采用的技术方案
一种钛合金表面金属基复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
（1）采用粒度600目以内砂纸打磨钛合金部件表面，除去表面的大尺寸缺陷，保证处理表面的精度；
（2）采用酒精、丙酮有机溶剂，或热碱溶液，清洗经过（1）处理的钛合金部件表面10分钟以上，除去油污、杂质等；
（3）采用醋酸钠-硅酸钠系，或磷酸-硅酸钠系电解液，处理参数为：电流密度1A/dm2~5A/dm2，电压300V~600V，占空比20~50%，温度0~60℃，频率700~900Hz，将经过步骤（2）处理的部件表面进行微弧氧化处理，制备主要成分为金红石及锐钛矿的陶瓷涂层；
（4）采用强流脉冲电子束对通过步骤（3）处理的钛合金部件表面轰击处理，轰击参数为：电流密度为：5～15J/cm2，脉冲宽度：30μs，频率：1~5Hz，脉冲次数：5~30次，真空度P＜3.5× 10-2Pa，使其表层发生重熔。
本发明所具有的效果：
本发明方法一操作，制备的复合涂层为金属陶瓷材料，既具有金属的高致密度、韧性，又具有陶瓷材料的高硬度、耐磨耐蚀和抗高温的特点。
另外，涂层由金属基体原位生长出来，且从其表面到基体金属内部，陶瓷相和金属相的含量呈连续的梯度状变化效果，达到无明显结合界面的效果；因此，该复合强化层结合强度更高，与基体金属具有更好的热匹配性，有望解决传统涂覆保护层过早剥落的问题。
附图说明
图1是实施例1中获得的致密的金属陶瓷涂层表面形貌；
图2是经过实施例3处理后获得涂层表面的摩擦系数图。
具体实施方式
本发明所用微弧氧化电源，DSM30F，迪思数控设备有限公司；强流脉冲电子束设备，SOLO-型，俄罗斯制造；采用FM-300显微硬度进行测试。
实施例1
（1）采用粒度600目砂纸打磨钛合金部件表面，除去表面的大尺寸缺陷，保证处理表面的精度；
（2）采用酒精，清洗经过（1）处理的钛合金部件表面15分钟，除去油污、杂质等；
（3）采用醋酸钠-硅酸钠系电解液，处理参数为：电流密度3A/dm2，电压380V，占空比30%，温度20℃，正、负脉宽为500μs，脉间为1000μs，处理时间为10min，将经过步骤（2）处理的部件表面进行微弧氧化处理，制备出陶瓷涂层；
（4）采用强流脉冲电子束对通过步骤（3）处理的钛合金部件表面轰击处理，轰击参数为：电流密度为：8J/cm2，脉冲宽度：30μs，频率：3Hz，脉冲次数：15次，真空度P为3× 10-2Pa，使其表层发生重熔。
实施例2
（1）采用粒度500目砂纸打磨钛合金部件表面，除去表面的大尺寸缺陷，保证处理表面的精度；
（2）采用酒精，清洗经过（1）处理的钛合金部件表面20分钟，除去油污、杂质等；
（3）采用醋酸钠-硅酸钠系电解液，处理参数为：电流密度4A/dm2，电压380V，占空比40%，温度25℃，正、负脉宽为500μs，脉间为1000μs，处理时间为10min，将经过步骤（2）处理的部件表面进行微弧氧化处理，制备出陶瓷涂层；
（4）采用强流脉冲电子束对通过步骤（3）处理的钛合金部件表面轰击处理，轰击参数为：电流密度为：12J/cm2，脉冲宽度：30μs，频率：4Hz，脉冲次数：20次，真空度P为3.2× 10-2Pa，使其表层
实施例3
（1）采用粒度400目砂纸打磨钛合金部件表面，除去表面的大尺寸缺陷，保证处理表面的精度；
（2）采用85℃热碱溶液清洗经过（1）处理的钛合金部件表面15分钟，除去油污、杂质等；
（3）采用磷酸-硅酸钠系电解液，处理参数为：电流密度5A/dm2，电压450V，占空比40%，温度30℃，正、负脉宽为500μs，脉间为1000μs，处理时间为20min，将经过步骤（2）处理的部件表面进行微弧氧化处理，制备出陶瓷涂层；
（4）采用强流脉冲电子束对通过步骤（3）处理的钛合金部件表面轰击处理，轰击参数为：电流密度为：10J/cm2，脉冲宽度：30μs，频率：5Hz，脉冲次数：25次，真空度P为2.8× 10-2Pa，使其表层发生重熔。
经过本方法制备的涂层厚度在5~25μm，涂层表面显微硬度在1100~1500Hv之间，涂层表面致密（图1）无微弧氧化形成的孔隙等缺陷，摩擦系数降低到0.2以下（图2），磨损量降低1倍以上。 

Claims (1)

1.一种钛合金表面金属基复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
（1）采用粒度600目以内砂纸打磨钛合金部件表面，除去表面的大尺寸缺陷，保证处理表面的精度；
（2）采用酒精、丙酮有机溶剂，或热碱溶液，清洗经过（1）处理的钛合金部件表面10分钟以上，除去油污、杂质；
（3）采用醋酸钠-硅酸钠系，或磷酸-硅酸钠系电解液，处理参数为：电流密度1A/dm2~5A/dm2，电压300V~600V，占空比20~50%，温度0~60℃，频率700~900Hz，将经过步骤（2）处理的部件表面进行微弧氧化处理，制备主要成分为金红石及锐钛矿的陶瓷涂层；
（4）采用强流脉冲电子束对通过步骤（3）处理的钛合金部件表面轰击处理，轰击参数为：电流密度为：5～15J/cm2，脉冲宽度：30μs，频率：1~5Hz，脉冲次数：5~30次，真空度P＜3.5× 10-2Pa，使其表层发生重熔。
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