CN109797360A - 一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法 - Google Patents

一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法 Download PDF

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邹娇娟
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Abstract

本发明公开了一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法,属于金属材料表面改性技术领域。该处理方法首先采用等离子表面合金化技术获得表面钼/锆合金层,然后对钛合金进行激光加工处理,最终获得凹坑状表面形貌的钛合金。本发明将激光加工处理与等离子表面合金化技术相结合,对钛合金进行表面复合处理,提高了钛合金的耐磨性,降低了磨损率。

Description

一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法
技术领域
本发明涉及一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法,属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术
钛合金由于具有高的特殊强度、良好的热稳定性、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性,是用于航空航天、汽车、化学、海洋、军事和生物医学工业结构应用的良好选择。然而,高摩擦系数、低导热性和低表面承载力导致钛合金的摩擦磨损性能比较差,从而限制了钛合金在对耐磨性要求较高的工业领域应用。基于摩擦磨损开始发生于材料表面,已有研究表明,借助表面技术可有效提高钛合金的耐磨性。选用合适的表面处理技术对于拓展钛合金作为摩擦材料的应用具有显著意义。
发明内容
本发明旨在提供一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法,所得的钛合金具有优异的耐磨性。
本发明提供的一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法,首先采用等离子表面合金化技术获得表面钼或者锆合金层,然后对钛合金进行激光加工处理,获得凹坑状表面形貌的钛合金。等离子表面合金化技术是利用低真空条件下的气体辉光放电所产生的等离子体来实现表面合金化。在等离子表面合金化炉的炉体为阳极并接地,炉腔内除被处理工件作为放电的一个阴极之外,再设置另一个阴极(源极)。在炉体内通入氩气充当工作气体,在一定偏压以及电场作用下,氩离子电离并且不断轰击靶材和基体,轰击基体使基体温度升高直至达到欲渗温度,轰击靶材使得待渗元素以离子或者原子的形式溅射出来,被溅射出来的合金元素经沉积和扩散,在工件表面形成表面合金化层。此合金层有钼/锆元素与钛合金形成的固溶体,可以提高提高钛合金的表面硬度和耐磨性,且钼/锆合金层与钛合金之间为牢固的冶金结合。激光加工可以在大功率、低速度的工作条件下,实现金属材料的切割或者成形,得到的片状钛合金表面则为凹坑状表面形貌。凹坑可以捕捉摩擦过程中的磨屑、减小接触面积从而降低粘着效应倾向,显著改善材料的摩擦学性能。本发明创新地将等离子表面合金化技术与激光加工处理相结合,充分发挥两种加工工艺的优点,显著提高了钛合金的耐磨性,并兼具凹坑状表面形貌在摩擦学方面所拥有的优势。
上述钛合金的表面处理方法,包括以下步骤:
(1)钛合金棒材除油:在80~90 ℃的碱性溶液中浸泡5~10 min;
(2)对步骤(1)处理后的钛合金棒材进行电火花加工:使用钼丝电火花切割机,将钛合金棒材加工成圆片工件;在无水乙醇中对钛合金工件表面除油后使用SiC水砂纸进行逐级打磨、超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用;
(3)将步骤(2)获得的钛合金圆片工件置于等离子表面合金化炉炉腔内的工件台上,工件台与第一脉冲电源的阴极连接,成为工件极,再通过源极悬挂架将源极悬挂于等离子表面合金化炉炉腔内的钛合金圆片工件上方,将源极与钛合金圆片工件的间距设置为14~16cm范围内,并通过源极悬挂架使源极与第二脉冲电源的阴极连接,成为合金化过程的靶材,等离子表面合金化炉炉壳与第一脉冲电源的和第二脉冲电源的阳极连接,并接地;
(4)将等离子表面合金化炉炉腔内部抽成真空度为10-1 Pa,然后向炉腔内通入氩气作为载气,流量控制在为60~70 sccm,使炉腔内气压维持在25~30 Pa,启动第一脉冲电源,在其阳极与阴极间施加直流偏压,炉腔内产生辉光放电,氩气原子被电离为等离子体,随着直流偏压增大,钛合金圆片工件表面温度逐渐升高,当工件极温度升至500~550 ℃时,对钛合金圆片工件进行离子轰击清洗20~40 min;
(5)启动第二脉冲电源,在其阳极与阴极间施加直流偏压,并逐渐增大直流偏压,此时产生气体放电现象,即开始对钛合金工件进行合金涂层的制备实现钛合金圆片工件的等离子表面合金化,将第一脉冲电源和第二脉冲电源之间的偏压数值差控制在200~300 V范围内,工件极温度逐渐升高并维持在800~900 ℃范围内,保温1~4 h,完成保温后,缓慢降低第一脉冲电源和第二脉冲电源的直流偏压,此过程持续30 min,随后依次关闭第一脉冲电源和第二脉冲电源,使钛合金圆片工件随炉缓冷到室温。
(6) 对步骤(5)处理后的钛合金工件进行激光加工:使用光纤激光加工设备,对钛合金圆片工件进行激光加工处理,获得不同密度的凹坑状表面形貌。
上述的制备方法,步骤(1)中,碱性溶液配方为:65~75 g/L 氢氧化钠;35~45 g/L 碳酸钠;15~25 g/L 磷酸钠;5~15 g/L 硅酸钠;
上述的制备方法,所述步骤(3)中的源极为纯钼或者锆板;
上述的制备方法,所述步骤(5)中的工件极温度为850 ℃, 第一脉冲电源和第二脉冲电源之间的偏压数值差控制在250 V,源-工件极距离为15 cm,保温时间为3 h;
上述的制备方法,所述步骤(6)中凹坑分布的密度为4 %~8 %,其中凹坑直径为300 µm;进一步地,激光加工参数为:激光波长为1064 nm,测试电压为220 V,输出功率为20 W,频率为20 kHz,加工速度为5 mm/s。
本发明的有益效果:
本发明将激光加工处理与等离子表面合金化技术相结合,对钛合金进行表面处理,充分发挥了激光加工处理和等离子表面合金化技术的优势,提高了钛合金的耐磨性。
附图说明
图1为等离子表面合金化炉结构示意图;
图2为实施例1,对比例1(5%),对比例3(渗钼)及未处理钛合金的磨痕形貌图;
图3为实施例1,对比例1(5%),对比例3(渗钼)及未处理钛合金的磨损率图;
图4为实施例2对比例2(7%),对比例3(渗钼)及未处理钛合金的磨痕形貌图;
图5为实施例2,对比例2(7%),对比例3(渗钼)及未处理钛合金的磨损率图;
图6为实施例3,对比例1(5%),对比例4(渗锆)及未处理钛合金的磨痕形貌图;
图7为实施例3,对比例1(5%),对比例4(渗锆)及未处理钛合金的磨损率图;
图8为实施例4,对比例2(7%),对比例4(渗锆)及未处理钛合金的磨痕形貌图;
图9为实施例4,对比例2(7%),对比例4(渗锆)及未处理钛合金的磨损率图;
图1中:1:等离子表面冶金炉的炉腔;2:等离子表面合金化炉的炉壳;3:纯钼板;4:钛合金圆片工件;5:测温窗口;6:光电温度计;7:与抽真空系统连接管路;8:工件台;9:等离子表面合金化炉的炉底;10:与充气系统连接管路;11:源极悬挂架;12:第一脉冲电源;13:第二脉冲电源。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明,但不局限于以下实施例。现以Ti6Al4V合金为例,对本发明进行实施:
实施例1:
(1)钛合金棒材除油:在85 ℃的碱性溶液中浸泡10 min;碱洗溶液配方为:70 g/L 氢氧化钠;40 g/L 碳酸钠;20 g/L 磷酸钠;10 g/L 硅酸钠;
(2)对步骤(1)处理后的钛合金棒材进行电火花加工:使用钼丝电火花切割机,将钛合金棒材加工成圆片工件;在无水乙醇中对钛合金工件表面除油后使用SiC水砂纸进行逐级打磨、超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用;
(3)将步骤(2)获得的钛合金圆片工件置于等离子表面合金化炉炉腔1内的工件台8上,工件台8与第一脉冲电源12的阴极连接,成为工件极,再通过源极悬挂架11将纯钼板3悬挂于等离子表面合金化炉炉腔1内的钛合金圆片工件4上方,将纯钼板3与钛合金圆片工件4的间距设置为15 cm,并通过源极悬挂架11使纯钼板3与第二脉冲电源13的阴极连接,成为钼合金化过程的源极(靶材),等离子表面合金化炉炉壳2与第一脉冲电源12的和第二脉冲电源13的阳极连接,并接地;
(4)将等离子表面合金化炉炉腔1内部抽成真空度为10-1 Pa,然后向炉腔1内通入氩气作为载气,流量控制在为65 sccm,使炉腔1内气压维持在25 Pa,启动第一脉冲电源12,在其阳极与阴极间施加直流偏压,炉腔1内产生辉光放电,氩气原子被电离为等离子体,随着直流偏压增大,钛合金圆片工件4表面温度逐渐升高,当工件极温度升至525 ℃时,对钛合金圆片工件4进行离子轰击清洗30 min;
(5)启动第二脉冲电源13,在其阳极与阴极间施加直流偏压,并逐渐增大直流偏压,此时产生气体放电现象,即开始对钛合金工件进行钼合金涂层的制备实现钛合金圆片工件的等离子表面钼合金化,将第一脉冲电源12和第二脉冲电源13之间的偏压数值差控制在250V,工件极温度逐渐升高并维持在850 ℃,保温3 h,完成保温后,缓慢降低第一脉冲电源12和第二脉冲电源13的直流偏压,此过程持续30 min,随后依次关闭第一脉冲电源12和第二脉冲电源13,使钛合金圆片工件4随炉缓冷到室温。
(6)对步骤(5)处理后的钛合金工件进行激光加工:使用光纤激光加工设备,对钛合金圆片工件进行激光加工处理,获得密度为5 %的凹坑状表面形貌,其中凹坑直径为300µm,加工参数为:激光波长为1064 nm,测试电压为220 V,输出功为率20 W,频率为20 kHz,加工速度为5 mm/s。
实施例2:
本实施方式与实施例1不同的是步骤(6)中凹坑的密度为7 %,其它步骤及参数与实施例1相同。
实施例3:
本实施方式与实施例1不同的是步骤(3)中源极材料为纯锆板,同时纯锆板与钛合金圆片工件的间距设置为16 cm,其它步骤及参数与实施例1相同。
实施例4:
本实施方式与实施例1不同的是步骤(3)中源极材料为纯锆板,同时纯锆板与钛合金圆片工件的间距设置为16 cm;步骤(6)中凹坑的密度为7 %,其它步骤及参数与实施例1相同。
对比例1:
本实施方式与实施例1不同的是没有步骤(3)-(5),即没有对钛合金进行等离子合金化,只做了激光加工处理,其中凹坑的密度为5 %。
对比例2:
本实施方式与实施例1不同的是没有步骤(3)-(5),即没有对钛合金进行等离子合金化,只做了激光加工处理,其中凹坑的密度为7 %。
对比例3:
本实施方式与实施例1不同的是没有步骤(6),即没有对钛合金进行激光加工处理,只做了等离子合金化处理,其中合金化元素为钼元素。
对比例4:
本实施方式与实施例1不同的是没有步骤(6),即没有对钛合金进行激光加工处理,只做了等离子合金化处理,其中合金化元素为锆元素。
经过比较实施例1~4及对比例表明:本发明可以显著提高钛合金的耐磨性。测试数据见表1。
表1
由摩擦磨损测试所得到的测试结果表1可见:Ti6Al4V合金经过实施例1,实施例2,实施例3和实施例4所示参数的表面复合处理后,复合处理后试样比磨损率相对于未处理钛合金试样分别降低了48.7 %,37.1 %,56.7 %和48.3 %;通过对比未处理钛合金的磨痕形貌,复合处理后的试样粘着磨损和磨粒磨损现象减轻,磨损程度明显减小。由上述结果可知,采用本发明所提供的表面复合处理方法可以显著提高钛合金的耐磨性。
为突出本发明的效果,采用相同的测试参数对未处理钛合金和实施例1处理后的钛合金进行摩擦磨损测试。图2中,(a)—未处理钛合金的磨痕图;(b)—对比例1凹坑密度为5 %的钛合金磨痕图;(c)—对比例3渗钼处理后的钛合金磨痕图;(d)—实施例1复合处理后的钛合金磨痕图。
图3中,a—未处理钛合金的磨损率图;b—对比例1中凹坑密度为5 %的钛合金磨损率图;c—对比例3渗钼处理后的钛合金磨损率图;d—实施例1复合处理后的钛合金磨损率图。
图4中,(a)—未处理钛合金的磨痕图;(b)—对比例2凹坑密度为7 %的钛合金磨痕图;(c)—对比例3渗钼处理后的钛合金磨痕图;(d)—实施例2复合处理后的钛合金磨痕图。
图5中,a—未处理钛合金的磨损率图;b—对比例2凹坑密度为7 %的钛合金磨损率图;c—对比例3渗钼处理后的钛合金磨损率图;d—实施例2复合处理后的钛合金磨损率图。
图6中,(a)—未处理钛合金的磨痕图;(b—) 对比例1凹坑密度为5 %的钛合金磨痕图;(c)—对比例4渗锆处理后的钛合金磨痕图;(d)—实施例3复合处理后的钛合金磨痕图。
图7中,a—未处理钛合金的磨损率图;b—对比例1凹坑密度为5 %的钛合金磨损率图;c—对比例4渗锆处理后的钛合金磨损率图;d—实施例3复合处理后的钛合金磨损率图。
图8中,(a)—未处理钛合金的磨痕图;(b)—对比例2凹坑密度为7 %的钛合金磨痕图;(c)—对比例4渗锆处理后的钛合金磨痕图;(d)—实施例4复合处理后的钛合金磨痕图。
图9中,a—未处理钛合金的磨损率图;b—对比例2凹坑密度为7 %的钛合金磨损率图;c—对比例4渗锆处理后的钛合金磨损率图;d—实施例4复合处理后的钛合金磨损率图。
干摩擦条件下,通过对比图2(a)-(d)、图4(a)-(d)、图6(a)-(d)以及图8(a)-(d),可以发现激光处理过的试样(图2(b),图4(b),图6(b),图8(b))表面没有形成连续的磨痕,其中复合处理的试样(图2(d),图4(d),图6(d),图8(d))表面粘着和磨粒磨损倾向减小,复合处理的试样表面损伤程度相对于激光处理、渗钼/锆处理以及未处理钛合金基材明显减弱,表面复合处理可以提高钛合金的耐磨性。通过激光工艺形成的凹坑可以显著改善其摩擦学性能:干摩擦条件下,凹坑能够捕捉磨屑,降低磨粒磨损,且可以减少实际接触面积,减小粘着效应倾向。对比图3.a-d,可以发现复合处理试样相比于激光处理试样(5 %)、渗钼处理试样以及钛合金基体磨损率最小,其相对于基体磨损率减小了48.7 %。对比图5.a-d,可以发现复合处理试样相比于激光处理试样(7 %)、渗钼处理试样以及钛合金基体磨损率最小,其相对于基体磨损率减小了37.1 %。对比图7.a-d,可以发现复合处理试样相比于激光处理试样(5 %)、渗锆处理试样以及钛合金基体磨损率最小,其相对于基体磨损率减小了56.7 %。通过对比图9.a-d,可以发现复合处理试样相比于激光处理试样(7 %)、渗锆处理试样以及钛合金基体磨损率最小,其相对于基体磨损率减小了48.3 %。

Claims (7)

1.一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法,其特征在于:首先采用等离子表面合金化技术获得表面钼/锆合金层,然后对钛合金进行激光加工处理,获得凹坑状表面形貌的钛合金。
2.根据权利要求1所述的提高钛合金表面耐磨性的处理方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)钛合金棒材除油:在80~90 ℃的碱性溶液中浸泡5~10 min;
(2)对步骤(1)处理后的钛合金棒材进行电火花加工:使用钼丝电火花切割机,将钛合金棒材加工成圆片工件;在无水乙醇中对钛合金工件表面除油后使用SiC水砂纸进行逐级打磨、超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用;
(3)将步骤(2)获得的钛合金圆片工件置于等离子表面合金化炉炉腔内的工件台上,工件台与第一脉冲电源的阴极连接,成为工件极,再通过源极悬挂架将源极悬挂于等离子表面合金化炉炉腔内的钛合金圆片工件上方,将源极与钛合金圆片工件的间距设置为14~16cm范围内,并通过源极悬挂架使源极与第二脉冲电源的阴极连接,成为合金化过程的靶材,等离子表面合金化炉炉壳与第一脉冲电源的和第二脉冲电源的阳极连接,并接地;
(4)将等离子表面合金化炉炉腔内部抽成真空度为10-1 Pa,然后向炉腔内通入氩气作为载气,流量控制在为60~70 sccm,使炉腔内气压维持在25~30 Pa,启动第一脉冲电源,在其阳极与阴极间施加直流偏压,炉腔内产生辉光放电,氩气原子被电离为等离子体,随着直流偏压增大,钛合金圆片工件表面温度逐渐升高,当工件极温度升至500~550 ℃时,对钛合金圆片工件进行离子轰击清洗20~40 min;
(5)启动第二脉冲电源,在其阳极与阴极间施加直流偏压,并逐渐增大直流偏压,此时产生气体放电现象,即开始对钛合金工件进行合金涂层的制备实现钛合金圆片工件的等离子表面合金化,将第一脉冲电源和第二脉冲电源之间的偏压数值差控制在200~300 V范围内,工件极温度逐渐升高并维持在800~900 ℃范围内,保温1~4 h,完成保温后,缓慢降低第一脉冲电源和第二脉冲电源的直流偏压,此过程持续30 min,随后依次关闭第一脉冲电源和第二脉冲电源,使钛合金圆片工件随炉缓冷到室温;
(6)对步骤(5)处理后的钛合金工件进行激光加工:使用光纤激光加工设备,对钛合金圆片工件进行激光加工处理,获得不同密度的凹坑状表面形貌。
3.根据权利要求2所述的提高钛合金表面耐磨性的处理方法,其特征在于:所述步骤(1)中碱性溶液配方为:65~75 g/L 氢氧化钠;35~45 g/L 碳酸钠;15~25 g/L 磷酸钠;5~15 g/L 硅酸钠。
4.根据权利要求2所述的提高钛合金表面耐磨性的处理方法,其特征在于:所述步骤(3)中的源极为纯钼板或纯锆板。
5.根据权利要求2所述的提高钛合金表面耐磨性的处理方法,其特征在于:所述步骤(5)中的工件极温度为850 ℃, 第一脉冲电源和第二脉冲电源之间的偏压数值差控制在250 V,源-工件极距离为15 cm,保温时间为3 h。
6.根据权利要求2所述的提高钛合金表面耐磨性的处理方法,其特征在于:所述步骤(6)中凹坑分布的密度为4 %~8 %,其中凹坑直径为300 µm。
7.根据权利要求2所述的提高钛合金表面耐磨性的处理方法,其特征在于:所述步骤(6)中激光加工参数为:激光波长为1064 nm,测试电压为220 V,输出功率为20 W,频率为20kHz,加工速度为5 mm/s。
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