CN103031509A - 一种强化钛合金表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用高频脉冲离子弧技术强化钛合金表面的方法，该方法采用2000HZ的高频脉冲离子弧技术，以WC作为强化电极，在钛合金表面制备TiC强化层。强化层厚度可达0.05mm。本发明的方法节能、高效、灵活，获得的强化层性能可靠。钛合金表面制备强化层TiC后，显微硬度提高，显微硬度达到钛合金基体的2倍以上，提高了钛合金表面耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金表面改性方法，属于表面改性领域。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐腐蚀性强、高温力学性能稳定、生物相容性好等优点，在宇航工业、生物医药、石油工业以及原子能等高技术领域，钛合金都有着广泛应用。但是钛合金作为运动副零部件时，耐磨性成为影响其使用性能和寿命的最重要因素之一，因此采用先进表面改性技术获得良好的耐磨层，成为解决这一问题的有效途径。近年来，固体渗金属、离子注入、激光表面合金化及电子束表面合金化、离子氮化等现代表面技术均应用到钛合金表面改性的研究中。这些技术在改善钛合金的摩擦磨损性能方面取得了显著效果，但将这些表面技术应用到承受冲击振动载荷、热疲劳环境时，普遍存在涂覆层薄，或抗冲击性能差，或与基体材料结合弱等缺点，需要开发在钛合金表面制备耐磨性高、与基体结合好的表面改性层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化钛合金表面的方法，以解决现有技术涂覆层耐磨性差及与基体材料结合弱的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种强化钛合金表面的方法，针对钛合金表面，采用高频脉冲离子弧技术，以WC作为强化电极，在钛合金表面制备强化层。
其中，所述高频脉冲等离子弧技术强化步骤包括：
步骤1：对钛合金表面进行打磨，去除表面氧化膜；
步骤2：使用丙酮刷洗钛合金表面，清除表面油脂及污染物；
步骤3：把钛合金夹在地线夹，需制备的表面面向操作者，枪电极与钛合金的夹角约60°左右；
步骤4：水平移动喷枪直至钛合金表面全部强化，完成钛合金表面横向强化。
步骤5：水平90°旋转转台，按照步骤3、4在钛合金表面强化一次，完成钛合金表面纵向强化；
较佳地，还包括步骤6：重复步骤3-5，即实现在钛合金表面二次强化。
其中，所述步骤1中，采用200目水砂纸对钛合金进行打磨。
其中，所述高频脉冲等离子弧频率为2000HZ。
其中，Ti合金表面形成以TiC为主的强化层，厚度为0.05mm。
其中，所述强化层显微硬度为钛合金基体的2倍以上。
本发明采用高频脉冲离子弧技术强化钛合金表面，制备工艺流程少，提高了生产率并降低了成本，沉积层结构、厚度可控，能够实现工艺化生产。并且，沉积层与基体之间形成良好的冶金结合，具有细微组织，耐磨性能提高。
附图说明
图1为高频脉冲离子弧技术强化钛合金表面示意图。
图2为样品强化层X射线衍射分析结果。
图3为强化层金相图片。
图4为强化层的微晶结构照片。
图5为钛合金表面强化前后显微硬度变化。
其中，附图标记：
1-交流220V电源 2-高频脉冲控制柜
3-氩气表气阀 4-氩气瓶
5-喷枪/枪电极/旋转转台 6-钛合金
7-地线夹
具体实施方式
本发明的强化钛合金表面的方法采用高频脉冲离子弧技术进行强化，以WC作为强化电极，在钛合金表面制备以TiC为主的强化层。强化层厚度可达0.05mm，显微硬度达到钛合金基体的2倍以上，提高钛合金表面耐磨性。强化设备采用旋转电极式强化系统的经典机型SPARK 900，工作频率为2000HZ。
本发明的强化钛合金表面的方法包括：
步骤1：对钛合金表面进行打磨，去除表面氧化膜；
步骤2：使用丙酮刷洗钛合金表面，清除表面油脂及污染物；
步骤3：把钛合金6夹在地线夹7上，需制备的表面面向操作者，枪电极5与钛合金6的夹角约60°左右；
步骤4：水平移动喷枪5直至钛合金6表面全部强化，完成钛合金6表面横向强化。
步骤5：水平90°旋转转台5，按照步骤3、4在钛合金表面强化一次，完成钛合金表面纵向强化；
较佳地，还包括步骤6：重复步骤3-5，即实现在钛合金6表面二次强化。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。
选用钛合金基体材料为TC6，化学成分见表1。试验选用电极直径Φ3mm，长度为80～100mm棒状电极，主要成份为WC。采用高频脉冲离子弧技术在TC6合金表面制备TiC强化层。强化工艺参数见表2。
表1钛合金TC6材料化学成分
| Al | Mo | Cr | Si | Fe | C | Zr | O | N | H | Ti |
| 5.5-6.5 | 2.0-3.0 | 0.8-2.0 | 0.15-0.4 | 0.2-0.7 | ≤0.1 | ≤0.5 | ≤0.15 | ≤0.05 | ≤0.015 | 其余 |
表2强化工艺参数
| 输出电压 | 比沉积时间 | 氩气流量 | 电极转速 |
| 60V | 2min/cm2 | 5L/min | 2500rpm |
本发明方法的具体步骤：
步骤1：钛合金进行表面改性前，先用200目水砂纸打磨，要求完全去除表面氧化膜。
步骤2：使用干净的天然鬃刷蘸工业丙酮刷洗部位A表面，清除表面油脂及污染物。
步骤3：把钛合金夹在地线夹，需制备的表面面向操作者，枪电极与钛合金的夹角约60°左右；
步骤4：水平移动喷枪直至钛合金表面全部强化，完成钛合金表面横向强化。
步骤5：水平90°旋转转台，按照步骤3、4在钛合金表面强化一次，完成钛合金表面纵向强化；
步骤6：重复步骤3-5，即实现在钛合金表面二次强化。
采用X射线衍射分析方法对TC6合金表面的TiC强化层相结构进行分析，见图2。实验选用日本理学D/max-RA型X射线衍射仪。图2表明强化层中有新相TiC、W2C、W生成；证明了表面强化层与基体形成良好冶金结合，强化层性能得到了改善。同时也表明，强化层不是单纯的电极成分，而是两极间通过交变混合冶金过程形成的由新相组成的强化层。这些新相作为硬质相存在于强化层中，将显著提高沉积层的耐磨性。
尽管TC6合金表面的TiC强化层中存在大量的Ti元素，但由于大量Ti是以TiC相存在的，所以对强化层硬度和耐磨性的提高，大有益处。
图3是强化层金相图片，将强化试样经磨制和抛光后制成金相试样，在浓度为1％的氢氟酸溶液下腐蚀后获得。可见，强化层是一层具有白亮色的与基体紧密相连的层。但在金相试样中，没有明显的强化层金相组织出现。这是由于强化层具有较高的耐腐蚀性，难以被氢氟酸溶液腐蚀的缘故。白亮层就是电极与基体材料经冶金反应后而形成的强化层。
图4是强化层的微晶结构照片。将金相试样用浓度为10％铁氰化钾水溶液与浓度为10％NaOH水溶液的混合溶液进行腐蚀后，在电镜下观察强化层组织。经深度腐蚀后，扫描电镜图像显示出TC6合金表面的TiC强化层非常细小的细晶组织结构特点。强化层的超细组织是由于强化过程中单脉冲能量快速释放后强化点急速冷却时造成的。脉冲放电的能量使试样表面及电极材料迅速熔化，形成合金化的液态金属；与此同时，脉冲能量被基体金属迅速吸收，与脉冲能量点相比，巨大的基体金属试样犹如一个热量黑洞，使刚刚合金化的液态金属在很高的冷却速度(大于108℃/s)下急速凝固，发生自淬火过程。这一极快速的过程，细化了晶粒，形成超细组织。此外，强化层中的化合物项作为第二相也具有细化晶粒的作用。超细晶组织的存在会大大提高强化层的表面硬度和耐磨性。
图5表明TC6钛合金表面强化前后显微硬度变化，TC6平均硬度约HV220，TiC平均硬度约HV600，强化层硬度是基体的2倍以上。采用高频脉冲离子弧技术在钛合金表面制备TiC强化层后，明显改善了钛合金表面的耐磨性，以达到表面强化的目的。
采用高频脉冲离子弧技术强化钛合金表面，使其表面形成以TiC为主的强化层，其强化层具有如下特性：强化层与基体之间形成良好的冶金结合；厚度达到0.05mm；具有细微组织；强化层中有TiC、W、W2C等硬质相，平均显微硬度达到钛合金基体的2倍以上，提高钛合金表面耐磨性。
由于采用了高频脉冲离子弧技术，本发明的方法节能、高效、灵活，获得的强化层性能可靠，对钛合金表面进行耐磨处理。钛合金表面制备强化层TiC后，显微硬度提高，其表面的摩擦学行为得到改善。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种强化钛合金表面的方法，其特征在于，针对钛合金表面，采用高频脉冲离子弧技术，以WC作为强化电极，在钛合金表面制备强化层。
2.根据权利要求1所述的强化钛合金表面的方法，其特征在于，所述高频脉冲等离子弧技术强化步骤包括：
步骤1：对钛合金表面进行打磨，去除表面氧化膜；
步骤2：使用丙酮刷洗钛合金表面，清除表面油脂及污染物；
步骤3：把钛合金夹在地线夹，需制备的表面面向操作者，枪电极与钛合金的夹角约60°左右；
步骤4：水平移动喷枪直至钛合金表面全部强化，完成钛合金表面横向强化；
步骤5：水平90°旋转转台，按照步骤3、4在钛合金表面强化一次，完成钛合金表面纵向强化。
3.根据权利要求2所述的强化钛合金表面的方法，其特征在于，还包括步骤6：重复步骤3-5，在钛合金表面进行二次强化。
4.根据权利要求2所述的强化钛合金表面的方法，其特征在于，所述步骤1中，采用200目水砂纸对钛合金进行打磨。
5.根据权利要求1所述的强化钛合金表面的方法，其特征在于，所述高频脉冲等离子弧频率为2000HZ。
6.根据权利要求1所述的强化钛合金表面的方法，其特征在于，Ti合金表面形成以TiC为主的强化层，厚度为0.05mm。
7.根据权利要求6所述的强化钛合金表面的方法，其特征在于，所述强化居显微硬度为钛合金基体的2倍以上。
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