CN108642436B - 金属钛表面高硬度氧化膜制备方法 - Google Patents

金属钛表面高硬度氧化膜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属钛表面高硬度氧化膜制备方法，包括如下步骤：步骤一、将钛工件进行搅拌摩擦加工打磨光亮，清洗后进行电解抛光，抛光后进行清洗、干燥表面；搅拌摩擦加工的搅拌头转速100～200rpm，加工速度20～40mm/min，轴肩下压量0.3～0.5mm；电解抛光液使用甲醇和高氯酸的混合溶液；电解抛光参数为抛光温度为‑20～‑30℃,抛光电压为10～30V，抛光时间80～120s；步骤二、热氧化处理：将抛光后的工件放入热处理炉进行一定时间的热氧化处理，热处理温度450～600℃，热处理时间2～3h，然后冷却至室温。本发明制备的样品提高了氧化膜厚度，提高了钛材表面硬度。

Description

金属钛表面高硬度氧化膜制备方法
技术领域
本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及一种金属钛表面高硬度氧化膜制备方法。
背景技术
钛是航空航天，海洋装备领域的重要材料。常用钛材具有导热系数小、表面硬度低、加工硬化率低以及易发生粘着磨损等缺点，导致其零部件在服役过程中因磨损作用而失效。钛会与相接触的材料发生相互作用，形成电偶腐蚀，在特殊介质中，还会发生点蚀和缝隙腐蚀。因此，对钛进行表面处理，提高钛的表面性能，使钛承受更恶劣的服役环境和条件，使钛固有的优异性能得到充分发挥，对扩大钛材的应用范围有着重要意义。
搅拌摩擦加工技术是2000年基于搅拌摩擦焊技术提出的材料改性与制备新技术，利用非消耗式搅拌头“旋转-搅拌-行进”复合机械运动，使加工区金属材料经历剧烈塑性变形，搅拌区组织发生反复动态再结晶行为，实现加工组织致密化、细晶化和均匀化，有效减小材料的晶粒尺寸，提高材料表面综合力学性能，对钛零件进行表面搅拌摩擦加工可以提高钛材表面硬度。因为搅拌摩擦加工技术开发时间较短，其加工处理后材料表面应对复杂服役环境能力有待提高。
氧是α钛稳定化元素，固溶于钛及钛合金中具有显著的固溶强化效果。钛的氧化物硬度高、粘着性低，能够对钛及钛合金的表面起到有效的增强效果。热氧化工艺可人为的促进钛的氧化，在其表面形成一定厚度的致密氧化膜，从而改善钛及钛合金表面性能。采用热氧化方法对搅拌摩擦加工钛材进行表面处理的详细步骤、主要参数范围等尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种改善钛材表面性能的金属钛表面高硬度氧化膜制备方法。
实现该目的的技术方案是：
一种金属钛表面高硬度氧化膜制备方法，包括如下步骤：
步骤一、工件的准备：将钛工件进行搅拌摩擦加工打磨光亮，清洗后进行电解抛光，抛光后进行清洗、干燥表面；搅拌摩擦加工的搅拌头转速100～200rpm，加工速度20～40mm/min，轴肩下压量0.3～0.5mm；电解抛光液使用甲醇和高氯酸的混合溶液；电解抛光参数为抛光温度为-20～-30℃,抛光电压为10～30V，抛光时间80～120s；
步骤二、工件热氧化处理：将抛光后的工件放入热处理炉进行一定时间的热氧化处理，热处理温度450～600℃，热处理时间2～3h，然后冷却至室温。
所述步骤一中搅拌针长度为2～4mm。
所述步骤一中搅拌摩擦加工的搅拌头轴肩直径160mm、搅拌针长度3mm、搅拌针根部直径6mm、端部直径4mm。
所述步骤一中搅拌摩擦加工的搅拌头转速180rpm，加工速度25mm/min，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。
在上述技术方案中，所述甲醇和高氯酸的混合溶液中甲醇和高氯酸占混合液的质量百分数分别为80～90％、10～20％。
本发明的有益效果是：采用本发明提供的氧化膜制备工艺，利用搅拌摩擦加工细晶组织高比例晶界和高密度位错加强热氧化处理中氧元素的扩散，提高氧化膜厚度，提高钛材表面硬度，为获得钛零件表面高综合性能提供保障。
附图说明
图1是不同热氧化温度下样品氧化膜厚度变化图。
图2是钛搅拌摩擦加工-热氧化处理前后基体及氧化膜硬度及弹性模量对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1制备本发明的金属钛表面高硬度氧化膜
在本实施例中采用钨铼合金搅拌头进行搅拌摩擦加工处理，搅拌头轴肩直径160mm、搅拌针长度3mm、搅拌针根部直径6mm、端部直径4mm。加工前将钛工件浸没在丙酮溶液中，利用超声波清洗掉试样的表面油污。
制备本发明的金属钛表面高硬度氧化膜，按照如下步骤操作：
步骤一、工件的准备：将钛工件进行搅拌摩擦加工打磨光亮，清洗后进行电解抛光，抛光后用清水和乙醇清洗样品表面，迅速干燥表面。电解抛光液使用使用甲醇和高氯酸的混合溶液，甲醇和高氯酸的混合溶液中甲醇和高氯酸占混合液的质量百分数分别为80～90％、10～20％。电解抛光参数为抛光温度为-20～-30℃,抛光电压为10～30V，抛光时间80～120s。
步骤二、工件热氧化处理：将抛光后的工件放入热处理炉进行一定时间的热氧化处理。热氧化处理工艺为热处理温度450～600℃，热处理时间2～3h。热氧化处理后采用炉冷降温。
按照上述方法制备了样品1～4，制备过程中的具体参数如下：
样品1
搅拌摩擦加工工艺采用搅拌头转速100rpm，加工速度20mm/min，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。对工件表面进行打磨、清洗并进行电解抛光，抛光液为85％甲醇+15％高氯酸的混合溶液，抛光工艺为抛光温度-20℃、电压30V、时间80s。抛光后样品在450℃进行热氧化处理，保温3h后随炉冷却至室温。
样品2
搅拌摩擦加工工艺采用搅拌头转速180rpm，加工速度25mm/min，轴肩下压量0.3mm，搅拌头倾斜角3°。对工件表面进行打磨、清洗并进行电解抛光，抛光液为90％甲醇+10％高氯酸的混合溶液，抛光工艺为抛光温度-30℃、电压20V,时间100s。抛光后样品在500℃进行热氧化处理，保温2h后随炉冷却至室温。
样品3
搅拌摩擦加工工艺采用搅拌头转速180rpm，加工速度40mm/min，轴肩下压量0.4mm，搅拌头倾斜角3°。对工件表面进行打磨、清洗并进行电解抛光，抛光液为80％甲醇+20％高氯酸的混合溶液，抛光工艺为抛光温度-25℃、电压10V,时间120s。抛光后样品在550℃进行热氧化处理，保温2h后随炉冷却至室温。
样品4
搅拌摩擦加工工艺采用搅拌头转速200rpm，加工速度25mm/min，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。对工件表面进行打磨、清洗并进行电解抛光，抛光液为80％甲醇+20％高氯酸的混合溶液，抛光工艺为抛光温度-25℃、电压10V,时间120s。抛光后样品在600℃进行热氧化处理，保温2h后随炉冷却至室温。
将样品1～4制得的样品进行检测，设置一个对照样品，对照样品为未采用搅拌摩擦加工而直接用本发明方法的后续步骤制备氧化膜的样品，检测结果如表1和2及图1和2所示：
表1原始试样和搅拌摩擦加工试样氧化膜厚度
样品编号 原始试样氧化膜厚(μm) 搅拌摩擦加工试样氧化膜厚(μm)
样品1 1.0 1.3
样品2 1.2 2.0
样品3 1.8 2.1
样品4 2.1 2.5
表2本发明制备的样品1～4氧化膜硬度及弹性模量
Figure BDA0001659416570000051
从表1、2以及图1、2可见，本发明制备的样品提高了氧化膜厚度，提高了钛材表面硬度，为获得钛零件表面高综合性能提供保障。

Claims (3)

1.一种金属钛表面高硬度氧化膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、工件的准备：将钛工件进行搅拌摩擦加工打磨光亮，清洗后进行电解抛光，抛光后进行清洗、干燥表面；搅拌摩擦加工的搅拌针长度为2～4mm，搅拌头转速100～200rpm，加工速度20～40mm/min，轴肩下压量0.3～0.5mm；电解抛光液使用甲醇和高氯酸的混合溶液，所述甲醇和高氯酸的混合溶液中甲醇和高氯酸占混合液的质量百分数分别为80～90％、10～20％；电解抛光参数为抛光温度为-20～-30℃,抛光电压为10～30V，抛光时间80～120s；
步骤二、工件热氧化处理：将抛光后的工件放入热处理炉进行一定时间的热氧化处理，热处理温度450～600℃，热处理时间2～3h，然后冷却至室温。
2.如权利要求1所述的金属钛表面高硬度氧化膜制备方法，其特征在于，所述步骤一中搅拌摩擦加工的搅拌头轴肩直径160mm、搅拌针长度3mm、搅拌针根部直径6mm、端部直径4mm。
3.如权利要求1所述的金属钛表面高硬度氧化膜制备方法，其特征在于，所述步骤一中搅拌摩擦加工的搅拌头转速180rpm，加工速度25mm/min，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。
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