CN109609906B - 一种提高钛合金耐磨性能的等离子放电耦合改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高钛合金耐磨性能的等离子放电耦合改性方法，利用等离子渗金属技术，在钛合金表层渗一层厚度约25微米的钛锆共渗层；利用微弧氧化技术，将这层钛锆共渗层部分微弧氧化，微弧氧化的厚度范围为8～20微米；最后获得以氧化钛和氧化锆为主的微弧氧化膜层。本发明的优点是：该方法制备的以氧化钛和氧化锆为主的微弧氧化膜层，氧化钛和氧化锆相互融合，没有明显界面，高硬度氧化锆的存在明显提高了氧化钛膜层的耐磨性能，优于现有的微弧氧化工艺。

Description

一种提高钛合金耐磨性能的等离子放电耦合改性方法
技术领域
本发明属于金属材料表面处理领域，具体涉及一种用等离子渗金属技术和等离子体电解氧化技术耦合提高钛合金耐磨性能的方法。
背景技术
钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能优异、高温力学性能好、生物相容性佳等优点，广泛应用于航空、航天、石油、化工、医用材料等众多领域，特别是在航空领域，钛合金在飞机的机身、航空发动机等主体部位及小部件如紧固件的使用，大大减轻了飞机的重量，是当代飞机及发动机的主要结构材料之一。然而，钛合金也存在硬度低、摩擦系数较高、导热系数小，耐摩擦性能差的缺点，在摩擦工况条件下很容易发生粘着磨损、微动疲劳损伤等，由此大大限制了其应用范围。
等离子体电解氧化是将金属置于碱性电解液中，通过施加高电压使金属表面发生击穿微弧放电，在微弧区的瞬间高温烧结作用下使基体金属发生氧化，在基体金属表面形成以基体元素氧化物为主、电解液所含元素参与的陶瓷膜层。它的出现能够较好地解决钛合金表面处理碰到的上述问题，并在实际应用中取得了良好的效果。等离子体电解氧化技术具有操作简单、易于实现膜层功能调节的特点，整个工艺流程简单、电解液环保性好，不会对环境造成明显污染，是一项新兴的绿色表面处理技术。目前，等离子体电解氧化技术在汽车、机械、电气及航空航天等行业的关键零部件的表面防护上得到了较为广泛的应用，尤其在解决钛合金表面的磨损、高温烧蚀等问题上展示了很好的前景。
钛合金表面进行等离子体电解氧化处理虽然能够有效提高钛合金的耐磨性能，然而随着应用范围越来越广，对钛合金等离子体电解氧化膜层耐磨性能的要求也越来越高，因此，需要进一步改善钛合金等离子体电解氧化膜层的耐磨性能。为了提高膜层的耐磨性能，很多研究者通过在等离子体电解氧化电解液中添加硬质或软质微粒来制备含微粒的等离子体电解氧化膜层从而提高膜层的硬度或者降低膜层的摩擦系数；然而，此方法对微粒在电解液中的分散性要求极高，若分散较差，反而不利于膜层耐磨性能的提高；此外，由于对微粒分散性的高要求，该方法也不利于其工业中的推广应用。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种通过预先在钛合金表层进行等离子放电Zr合金化，之后进行等离子体电解氧化处理从而获得TiO2与高硬度ZrO2共存的等离子体电解氧化膜层的方法，制备得到的钛合金等离子体电解氧化膜层显著提高了钛合金的耐磨性能。
技术方案
一种提高钛合金耐磨性能的等离子放电耦合改性方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将TC4钛合金试样先用砂纸逐级打磨，之后进行抛光处理，然后在无水乙醇中超声波清洗，吹干后待用；
步骤2：渗Zr时，先将试样放入真空炉中，使其与源极Zr板间距离保持在15～20mm，然后抽真空至极限真空度，然后向炉内充氩气，使炉内气压保持在20～40Pa；之后通过预溅射对试样进行清洗，然后调节源极电压和工件电压，使二者源极电压高于工件电压300V，然后保温3～4h；最后降温并取出试样；所得的钛合金表层渗Zr的厚度为20～30μm；
步骤2：对渗Zr后的TC4试样进行等离子体电解氧化处理：将渗Zr后的TC4试样作为阳极，304不锈钢槽作为阴极；等离子体电解氧化电解液组成为：Na2SiO3 20g/L；(NaPO3)68g/L；NaOH 2g/L；电流密度：5A/dm2，氧化时间为10～30min，等离子体电解氧化处理过程中电解液温度保持在15℃左右；
步骤3：等离子体电解氧化处理后试样先用流动水清洗，之后用蒸馏水清洗并吹干待用。
有益效果
本发明提出的一种提高钛合金耐磨性能的等离子放电耦合改性方法，在氧化钛膜层中引入高硬度的氧化锆，氧化钛与氧化锆相互融合，无明显界面，有效提高了钛合金等离子体电解氧化膜层的耐磨性能。
附图说明
图1为钛合金渗Zr后再进行等离子体电解氧化处理试样的截面形貌
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明方法的步骤为：(1)利用等离子渗金属技术，在钛合金表层渗一层厚度为25μm左右的钛锆共渗层；(2)利用等离子体电解氧化技术，将这层钛锆共渗层部分等离子体电解氧化，等离子体电解氧化膜层厚度约8～20微米；(3)获得的氧化钛和氧化锆共存的等离子体电解氧化膜层的耐磨性能具有良好的耐磨性能。
实施例1
首先采用等离子渗金属真空炉进行表面渗Zr处理。实验过程和主要参数如下：将TC4钛合金加工成Φ30×8mm试片，渗Zr前，TC4钛合金试片先用砂纸逐级打磨，之后进行抛光处理，然后在无水乙醇中超声波清洗，吹干后待用。渗Zr时，先将试样放入炉中，使其与源极Zr板间距离保持在15～20mm，然后抽真空至极限真空度，然后向炉内充氩气，使炉内气压保持在20～40Pa；之后通过预溅射对试样进行清洗，然后调节源极电压和工件电压，使源极电压高于工件电压300V左右，然后保温3～4h；最后降温并取出试样。钛合金表层渗Zr的厚度约25μm左右。然后将渗Zr后的TC4试样进行等离子体电解氧化处理。先将渗Zr后的TC4试样作为阳极，304不锈钢槽作为阴极。等离子体电解氧化电解液组成主要是：Na2SiO3 20g/L；(NaPO3)6 8g/L；NaOH2g/L；电流密度：5A/dm2，氧化时间为10min，等离子体电解氧化处理过程中电解液温度保持在15℃左右，得到等离子体电解氧化膜层厚度约8～10微米；等离子体电解氧化处理后试样先用流动水清洗，之后用蒸馏水清洗并吹干待用。
常温摩擦磨损试验结果表明，单一等离子体电解氧化处理试样的摩擦系数在稳定阶段为0.35左右，渗Zr处理后再等离子体电解氧化处理试样的摩擦系数为0.5左右，相同磨损量下，是TC4钛合金的1/4，是单一等离子体电解氧化处理TC4钛合金的1/2，耐磨性能较直接在钛合金上进行等离子体电解氧化处理显著提高。
实施例2
首先采用等离子渗金属真空炉进行表面渗Zr处理。实验过程和主要参数如下：将TC4钛合金加工成Φ30×8mm试片，渗Zr前，TC4钛合金试片先用砂纸逐级打磨，之后进行抛光处理，然后在无水乙醇中超声波清洗，吹干后待用。渗Zr时，先将试样放入炉中，使其与源极Zr板间距离保持在15～20mm，然后抽真空至极限真空度，然后向炉内充氩气，使炉内气压保持在20～40Pa；之后通过预溅射对试样进行清洗，然后调节源极电压和工件电压，使源极电压高于工件电压300V左右，然后保温3～4h；最后降温并取出试样。钛合金表层渗Zr的厚度约25μm左右。然后将渗Zr后的TC4试样进行等离子体电解氧化处理。将渗Zr后的TC4试样作为阳极，304不锈钢槽作为阴极。等离子体电解氧化电解液组成主要是：Na2SiO3 20g/L；(NaPO3)6 8g/L；NaOH 2g/L；电流密度：5A/dm2，氧化时间为30min，等离子体电解氧化处理过程中电解液温度保持在15℃左右，得到等离子体电解氧化膜层厚度约18～20微米；等离子体电解氧化处理后试样先用流动水清洗，之后用蒸馏水清洗并吹干待用。
高温(400℃)摩擦磨损试验结果表明，单一等离子体电解氧化处理试样的摩擦系数为0.7左右，渗Zr处理后再等离子体电解氧化处理试样的摩擦系数在稳定阶段为0.6左右，相同磨损量下，是单一等离子体电解氧化处理TC4钛合金的2/3，耐磨性能较直接在钛合金上进行等离子体电解氧化处理提高。

Claims (1)

1.一种提高钛合金耐磨性能的等离子放电耦合改性方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将TC4钛合金试样先用砂纸逐级打磨，之后进行抛光处理，然后在无水乙醇中超声波清洗，吹干后待用；
步骤2：渗Zr时，先将试样放入真空炉中，使其与源极Zr板间距离保持在15～20mm，然后抽真空至极限真空度，然后向炉内充氩气，使炉内气压保持在20～40Pa；之后通过预溅射对试样进行清洗，然后调节源极电压和工件电压，使二者源极电压高于工件电压300V，然后保温3～4h；最后降温并取出试样；所得的钛合金表层渗Zr的厚度为20～30μm；
步骤2：对渗Zr后的TC4试样进行等离子体电解氧化处理：将渗Zr后的TC4试样作为阳极，304不锈钢槽作为阴极；等离子体电解氧化电解液组成为：Na2SiO3 20g/L；(NaPO3)6 8g/L；NaOH 2g/L；电流密度：5A/dm2，氧化时间为10～30min，等离子体电解氧化处理过程中电解液温度保持在15℃左右；
步骤3：等离子体电解氧化处理后试样先用流动水清洗，之后用蒸馏水清洗并吹干待用。
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