CN109137042A - 一种钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法 - Google Patents

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熊党生
熊潇雅
周亭飞
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Abstract

本发明公开了一种钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法。高耐磨复合陶瓷涂层是以高韧性的TC4钛合金作为基体材料，TiO2‑Al2O3作为陶瓷涂层的主要成分相，高熔点高硬度的Cr2O3‑SiC相作为弥散增强相所组成的高耐磨复合陶瓷层。本发明通过一步法在钛合金表面成功制备了上述陶瓷，所制备的微弧氧化耐磨陶瓷膜致密度高，硬度高(HV超过900)，耐磨损性能优异。

Description

一种钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金表面处理技术领域，具体涉及到一种钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
钛合金作为轻质金属结构材料，因为其比强度高，耐腐蚀性能优越，被广泛应用在汽车缸体和航空航天领域。但是钛合金硬度低，表面耐磨性能差，在使用中容易产生钛火现象，这严重限制了其进一步应用。于是弥补钛合金这些缺陷并赋予其新性能的表面处理技术应用而生。有学者采用化学镀、热喷涂、阳极氧化和激光涂覆等方法来提高钛合金表面硬度，进而改善其耐磨性，但这些方法制备的涂层性能不够好，存在涂层薄，易脱落，耐磨性差的缺点。微弧氧化是一种新兴的表面处理技术，其特点是能在钛合金表面原位生长一层陶瓷膜，该陶瓷膜厚度均匀，硬度高，耐磨性好。
有学者将Al2O3、SiO2和金刚石等颗粒引入微弧氧化膜中，能制备比单一金属膜层硬度更高，耐磨性能更好的复合膜层。SiC作为一种耐磨材料，硬度高(莫氏硬度9.5，仅次于金刚石)，具有高承载和良好的润滑性能。Cr2O3作为常用的耐磨耐火材料，性质稳定，在高温和腐蚀性气体环境下极稳定。将SiC和Cr2O3纳米颗粒引入微弧氧化陶瓷膜中，可有效改善微弧氧化膜的耐磨性能。
专利CN108004581A采用微弧氧化的方法在镁合金表面制备了黑色耐磨陶瓷层，该膜层摩擦系数低，均匀不褪色。但是其维氏硬度在553-605之间，硬度不够高。
专利CN107460520A采用微弧氧化的方法在钛合金表面制备了一层陶瓷膜，表面光滑，粗糙度小。但其微弧氧化膜成分单一，没有高硬度的耐磨颗粒，耐磨性不够好。
发明内容
本发明针对钛合金表面硬度低，耐磨性能差的缺点，提出了一种钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法。
实现本发明目的提供技术方案如下：
一种钛合金表面TiO2-Al2O3-Cr2O3-SiC高耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法。所述的复合陶瓷涂层包括钛合金基体，TiO2-Al2O3复合陶瓷涂层为主要耐磨陶瓷相，Cr2O3-SiC 的复合陶瓷为辅助弥散强化陶瓷相。
具体步骤如下：
步骤1：砂纸打磨钛合金片并进行抛光处理，在去离子水和酒精环境下，超声清洗表面油污碎屑
步骤2：配置铝酸钠-磷酸钠体系的电解液，调节PH。
步骤3：在步骤2中配制好的电解液中加入纳米尺度的SiC粉末和Cr2O3粉末，机械搅拌30min，然后在加入加入酒精和分散剂搅拌20min，最后再超声分散20min，获得所需要的电解液。
步骤4：将步骤1得到的钛合金片，放入步骤3制得的电解液中，进行微弧氧化处理。
优选地，步骤2中，铝酸钠质量浓度为12g/L,磷酸钠质量浓度为1.6g/L，NaOH的含量在1～3g/L。
优选地，步骤3中SiC粉末质量浓度为1～3g/L，Cr2O3粉末质量浓度为1～3g/L，分散剂采用阴离子型表面活性剂，其质量浓度为0.01g/L。
优选地，步骤4中等离子体电解氧化参数为电压500～600V，频率为400Hz，氧化时间为10～20min，电解液温度为15～25℃。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：1、本发明的制备方法创造性的加入Cr2O3-SiC颗粒，进一步改进了微弧氧化膜的耐磨性能；2、本发明的制备方法的工艺简单，成本低廉，环境污染小，生产效率高；微弧氧化膜层致密度高，与基体结合性能好，磨损状态稳定。
附图说明
图1为本发明方法制备的钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层SEM图。
图2为制得的高耐磨复合陶瓷涂层的硬度图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
(1)对钛合金片材进行打磨和抛光处理，使其Ra＜0.6，然后用去离子水和酒精依次超声处理20min去除表面油污。
(2)配制铝酸钠-磷酸钠基电解液，铝酸钠12g/L，磷酸钠1.6g/L，氢氧化钠1g/L。机械搅拌30min。
(3)称取2g/L的纳米SiC和2/L的纳米Cr2O3，加入(2)配置的电解液中，加入 0.01g/L的阴离子分散剂，并加入100ml无水乙醇。机械搅拌20min后，再超声分散20min。
(4)将(1)处理好的钛合金片放入(3)步骤4中等离子体电解氧化参数为电压500V，频率为400Hz，氧化时间为15min，电解液温度为15～25℃。
图1为在此实施例1条件下，本发明方法制备的钛合金表面新型 TiO2-Al2O3-Cr2O3-SiC高耐磨复合陶瓷涂层SEM图。从图中可以看出涂层致密度高且均匀。
图2为在此实施例1条件下，本发明的复合涂层的硬度HV超过900。硬度有了很大的提升。
实施例2
(1)对钛合金片材进行打磨和抛光处理，使其Ra＜0.6，然后用去离子水和酒精依次超声处理20min去除表面油污。
(2)配制铝酸钠-磷酸钠基电解液，铝酸钠12g/L，磷酸钠1.6g/L，氢氧化钠1g/L。机械搅拌30min。
(3)称取1g/L的纳米SiC和3/L的纳米Cr2O3，加入(2)配置的电解液中，加入 0.01g/L的阴离子分散剂，并加入100ml无水乙醇。机械搅拌20min后，再超声分散20min。
(4)将(1)处理好的钛合金片放入(3)步骤4中等离子体电解氧化参数为电压550V，频率为400Hz，氧化时间为10min，电解液温度为15～25℃。
实施例3
(1)对钛合金片材进行打磨和抛光处理，使其Ra＜0.6，然后用去离子水和酒精依次超声处理20min去除表面油污。
(2)配制铝酸钠-磷酸钠基电解液，铝酸钠12g/L，磷酸钠1.6g/L，氢氧化钠1g/L。机械搅拌30min。
(3)称取3g/L的纳米SiC和1/L的纳米Cr2O3，加入(2)配置的电解液中，加入 0.01g/L的阴离子分散剂，并加入100ml无水乙醇。机械搅拌20min后，再超声分散20min。
(4)将(1)处理好的钛合金片放入(3)步骤4中等离子体电解氧化参数为电压600V，频率为400Hz，氧化时间为20min，电解液温度为15～25℃。

Claims (5)

1.一种钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层，其特征在于，所述的复合陶瓷涂层是由高韧性的钛合金作为基体，TiO2-Al2O3复合陶瓷涂层为主要耐磨陶瓷相，Cr2O3-SiC的复合陶瓷为辅助弥散强化陶瓷相所组成的复合陶瓷涂层。
2.一种钛合金表面高耐磨复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，该涂层由以下具体步骤制得：
步骤1：砂纸打磨钛合金片并进行抛光处理，在去离子水和酒精环境下，超声清洗表面油污碎屑；
步骤2：配置铝酸钠-磷酸钠体系的电解液，加入氢氧化钠调节PH；
步骤3：在步骤2中配制好的电解液中加入纳米尺度的SiC粉末和Cr2O3粉末，机械搅拌30min，然后在加入酒精和分散剂搅拌20min，最后再超声分散20min，获得所需要的电解液；
步骤4：将步骤1得到的钛合金片，放入步骤3制得的电解液中，进行微弧氧化处理。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的铝酸钠质量浓度为12g/L,磷酸钠的质量浓度为1.6g/L，所述的NaOH的质量浓度在1～3g/L。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，SiC粉末质量浓度为1～3g/L，Cr2O3粉末质量浓度为1～3g/L，分散剂采用阴离子型表面活性剂，其质量浓度为0.01g/L。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，等离子体电解氧化参数为电压500～600V，频率为400Hz，氧化时间为10～20min，电解液温度为15～25℃。
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