CN110079754B - 一种钛及钛合金表面复合处理方法 - Google Patents

一种钛及钛合金表面复合处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛及钛合金表面复合处理方法，属于金属材料表面处理技术领域。首先将预处理好的钛及钛合金进行激光处理，获得具有规律分布的圆形凹坑表面形貌，然后将钛及钛合金进行热加工处理，获得复合处理的钛及钛合金。所述激光处理是在室温、空气中，实现金属材料的切割或者成形，得到的片状钛及钛合金表面获得规律分布的圆形凹坑表面形貌；所述热加工技术是利用空气中的氧元素和基材中的钛元素进行反应，在基材表面生成具有钛氧化合物和固溶体的方法。本发明将激光处理与热加工技术相结合，对钛及钛合金进行表面处理，充分发挥了激光处理与热加工技术的优势，提高了钛及钛合金的耐磨性。

Description

一种钛及钛合金表面复合处理方法
技术领域
本发明涉及一种钛及钛合金表面复合处理方法，属于金属材料表面处理技术领域。
背景技术
钛及钛合金兼具高的比强度、良好的热稳定性、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性等优势，经常被应用于工业、汽车、化学、海洋、军事和生物医学等领域。但是，钛及钛合金受到导热性低、摩擦系数大、耐磨性差等缺点的制约，一般不能用于制作滑动摩擦配副零部件，限制了其广泛的使用。采用表面改性技术进一步提高其表面耐磨性，满足恶劣环境对钛及钛合金性能的要求、延长使用寿命、降低生产成本具有显著意义。
发明内容
本发明旨在提供一种钛及钛合金表面复合处理方法，所得的钛及钛合金具有优异的耐磨性。
本发明创新地将激光处理与热加工技术相结合，充分发挥两种加工工艺的优点，显著提高了钛及钛合金的耐磨性，并兼具规律分布的圆形凹坑表面形貌在摩擦学方面所拥有的优势。
本发明提供了一种钛及钛合金表面复合处理方法，首先将预处理好的钛及钛合金进行激光处理，获得具有规律分布的圆形凹坑表面形貌，然后将钛及钛合金进行热加工处理，获得复合处理的钛及钛合金。
所述激光处理是在钛及钛合金表面获得规律分布的圆形凹坑表面形貌。规律分布的圆形凹坑形貌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，同时，阻断磨痕的连续性，降低磨损破坏的程度，显著改善材料的摩擦学性能。
所述热加工技术是利用空气中的氧元素和基材中的钛元素进行反应，在基材表面生成具有钛氧化合物和固溶体的方法。同时，生成的化合物或固溶体能起到提高表面耐磨性的作用，另外氧元素从表面到基材呈现梯度分布，使得膜层可与基体形成良好的结合。
上述钛及钛合金的表面复合处理方法，包括以下步骤：
(1)对钛及钛合金棒材进行电火花加工：使用钼丝电火花切割机，将钛及钛合金棒材加工成圆片工件；
(2)采用SiC水砂纸对步骤(1)获得的钛及钛合金圆片工件进行逐级打磨、无水乙醇超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)对步骤(2)处理后的钛及钛合金工件进行激光处理：使用激光处理设备，对钛及钛合金圆片工件进行激光处理，获得规律分布的圆形凹坑表面形貌；
(4)将步骤(3)获得的钛及钛合金圆片工件置于箱式气氛炉炉腔内的工件台上，此工件台与电源连接，然后接通电源；
(5)通过调节控制器，使工作电压维持在200～400 V，使箱式气氛炉炉腔内的温度升高并保持在550～750 ℃，保温10～50 h后断开电源，使钛及钛合金缓冷到室温。
上述的制备方法，所述步骤(3)中规律分布的圆形凹坑表面形貌，密度为5 %（密度是指：圆形凹坑面积占试样总表面积的比例），其中圆形单元的直径为300 µm。
上述的制备方法，所述步骤(3)中激光处理的参数为：激光波长为1000～1100 nm，测试电压为200～250 V，输出功率为10～30 W，频率为10～30 kHz，加工速度为4～6 mm/s。进一步地，所述步骤(3)中激光处理的参数为：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。
上述的制备方法，所述步骤(5)中的工作电压为300 V，钛及钛合金工件温度：TA2纯钛为650 ℃，Ti6Al4V钛合金为700 ℃，保温时间均为30 h。
本发明的有益效果：
本发明将激光处理与热加工技术相结合，对钛及钛合金进行表面处理，充分发挥了激光处理与热加工技术的优势，提高了钛及钛合金的耐磨性。
附图说明
图1为箱式气氛炉装置示意图；
图2为实施例1(TA2)、对比例1、对比例3及未处理TA2的磨痕形貌图；
图3为实施例1(TA2)、对比例1、对比例3及未处理TA2的磨损失重图；
图4为实施例2(Ti6Al4V合金)、对比例2、对比例4及未处理Ti6Al4V合金的磨痕形貌图；
图5为实施例2(Ti6Al4V合金)、对比例2、对比例4及未处理Ti6Al4V合金的磨损失重图；
图中：1—箱式气氛炉的炉壳；2—箱式气氛炉的炉腔；3—工件台；4—钛及钛合金工件；5—电源；6—控制器。
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TA2和Ti6Al4V合金为例，对本发明进行实施：
实施例1：
(1)对TA2棒材进行电火花加工：使用钼丝电火花切割机，将TA2棒材加工成圆片工件；
(2)采用SiC水砂纸对步骤(1)获得的TA2圆片工件进行逐级打磨、无水乙醇超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)对步骤(2)处理后的TA2工件进行激光处理：使用激光处理设备，对TA2圆片工件进行激光处理，获得规律分布的圆形凹坑表面形貌，密度为5 %（圆形凹坑面积占试样总表面积的比例），其中圆形单元的直径为300 µm。激光处理的参数为：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。
(4)将步骤(3)获得的TA2圆片工件置于箱式气氛炉炉腔内2的工件台3上，此工件台3与电源5连接，然后接通电源；
(5)通过调节控制器6，使工作电压维持在300 V，使箱式气氛炉炉腔内的温度升高并保持在650 ℃，保温30 h后断开电源，使TA2缓冷到室温。
实施例2：
本实施方式与实施例1不同的是步骤(1)中采用的材料为Ti6Al4V合金，步骤(5)使箱式气氛炉炉腔内的温度升高并保持在700 ℃，保温30 h后断开电源，使Ti6Al4V缓冷到室温。其它步骤及参数与实施例1相同。
对比例1：对TA2棒材进行了激光处理
(1)对TA2棒材进行电火花加工：使用钼丝电火花切割机，将TA2棒材加工成圆片工件；
(2)采用SiC水砂纸对步骤(1)获得的TA2圆片工件进行逐级打磨、无水乙醇超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)对步骤(2)处理后的TA2工件进行激光处理：使用激光处理设备，对TA2圆片工件进行激光处理，获得规律分布的圆形凹坑表面形貌，密度为5 %，其中圆形单元的直径为300 µm。激光处理的参数为：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。
对比例2：对Ti6Al4V合金进行了激光处理
(1)对Ti6Al4V合金进行电火花加工：使用钼丝电火花切割机，将Ti6Al4V合金棒材加工成圆片工件；
(2)采用SiC水砂纸对步骤(1)获得的Ti6Al4V合金圆片工件进行逐级打磨、无水乙醇超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)对步骤(2)处理后的Ti6Al4V合金工件进行激光处理：使用激光处理设备，对Ti6Al4V合金圆片工件进行激光处理，获得规律分布的圆形凹坑表面形貌，密度为5 %，其中圆形单元的直径为300 µm。激光处理的参数为：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。
对比例3：对TA2棒材进行了热加工处理
(1)对TA2棒材进行电火花加工：使用钼丝电火花切割机，将TA2棒材加工成圆片工件；
(2)采用SiC水砂纸对步骤(1)获得的TA2圆片工件进行逐级打磨、无水乙醇超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)将获得的TA2圆片工件置于箱式气氛炉炉腔内2的工件台3上，此工件台3与电源5连接，然后接通电源；
(4)通过调节控制器6，使工作电压维持在300 V，使箱式气氛炉炉腔内的温度升高并保持在650 ℃，保温30 h后断开电源，使TA2缓冷到室温。
对比例4：对Ti6Al4V合金进行了热加工处理
(1)对Ti6Al4V合金进行电火花加工：使用钼丝电火花切割机，将Ti6Al4V合金加工成圆片工件；
(2)采用SiC水砂纸对步骤(1)获得的Ti6Al4V合金圆片工件进行逐级打磨、无水乙醇超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)将获得的Ti6Al4V合金圆片工件置于箱式气氛炉炉腔内2的工件台3上，此工件台3与电源5连接，然后接通电源；
(4)通过调节控制器6，使工作电压维持在300 V，使箱式气氛炉炉腔内的温度升高并保持在700 ℃，保温30 h后断开电源，使Ti6Al4V合金缓冷到室温。
对实施例1~2、对比例1~4进行了磨损测试，测试数据见表1。
经过比较实施例1~2及对比例1~4，表明：本发明可以显著提高钛及钛合金的耐磨性。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由摩擦磨损测试所得到的测试结果表1可见：TA2经过实施例1所示参数的表面复合处理后，磨损失重相对于未处理TA2工件降低了43.08 %；Ti6Al4V经过实施例2所示参数的表面复合处理后，磨损失重相对于未处理Ti6Al4V合金工件降低了90.01 %。通过对比未处理TA2的磨痕形貌，复合处理后TA2工件的磨痕表面更平滑，犁沟现象减轻，磨粒磨损减轻，磨损程度破坏明显减小。通过对比未处理Ti6Al4V合金的磨痕形貌，复合处理后的Ti6Al4V工件磨痕宽度明显减小，磨痕表面更平滑，磨粒磨损现象减轻，磨损程度破坏明显减小。由上述结果可知，采用本发明所提供的表面复合复合处理方法可以减低磨损破坏程度，显著提高钛及钛合金的耐磨性。
为突出本发明的效果，采用相同的测试参数对未处理钛及钛合金和实施例处理后的钛及钛合金进行摩擦磨损测试。图2中，(a)—未处理的TA2磨痕图；(b)—对比例1激光处理后的TA2磨痕图；(c)—对比例3热加工处理后的TA2磨痕图；(d)—实施例1复合处理后的TA2磨痕图。
图3中， a—未处理的TA2磨损失重图；b—对比例1激光处理后的TA2磨损失重图；c—对比例3热加工处理后的TA2磨损失重图；d—实施例1复合处理后的TA2磨损失重图。
图4中，(a)—未处理Ti6Al4V合金的磨痕图；(b)—对比例2激光处理后的Ti6Al4V合金磨痕图；(c)—对比例4热加工处理后的Ti6Al4V合金磨痕图；(d)—实施例2复合处理后的Ti6Al4V合金磨痕图。
图5中，a—未处理Ti6Al4V合金的磨损失重图；b—对比例2激光处理后的Ti6Al4V合金磨损失重图；c—对比例4热加工处理后的Ti6Al4V合金磨损失重图；d—实施例2复合处理后的Ti6Al4V合金磨损失重图。
干摩擦条件下，通过对比图2(a)-(d)以及图4(a)-(d)，可以发现激光处理过的工件(图2(b)和图4(b))表面没有形成连续的磨痕，热加工处理过的工件(图2(c)和图4(c))磨痕表面更平滑，其中复合处理的工件(图2(d)和图4(d))表面的磨痕宽度大大较小，犁沟现象减轻，磨粒磨损倾向减小，复合处理的工件表面损伤程度相对于激光处理、热加工处理以及未处理钛及钛合金基材明显减弱，表明表面复合处理可以提高钛及钛合金的耐磨性。通过激光处理形成的规律分布的圆形凹坑形貌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(图2(d)和图4(d))，降低磨粒磨损，且可以减少实际接触面积，阻断磨痕的连续，减小粘着效应倾向。对比图3.a-d，可以发现对于复合处理的TA2工件相比于激光处理工件、热加工处理工件以及TA2基体磨损失重最小，其相对于基体磨损失重减小了43.08%。对比图5(a)-(d)，可以发现复合处理的Ti6Al4V工件相比于激光处理工件、热加工处理工件以及Ti6Al4V合金基体磨损失重最小，其相对于基体磨损失重减小了90.01 %。

Claims (1)

1.一种钛及钛合金表面复合处理方法，其特征在于：首先将预处理好的钛及钛合金进行激光处理，获得具有规律分布的圆形凹坑表面形貌，然后将钛及钛合金进行热加工处理，获得复合处理的钛及钛合金；
所述激光处理是在室温、空气中，实现金属材料的切割或者成形，得到的片状钛及钛合金表面获得规律分布的圆形凹坑表面形貌；
所述热加工技术是利用空气中的氧元素和基材中的钛元素进行反应，在基材表面生成具有钛氧化合物和固溶体的方法；
所述的钛及钛合金表面复合处理方法，具体由以下步骤组成：
(1)对钛及钛合金棒材进行电火花加工：使用钼丝电火花切割机，将钛及钛合金棒材加工成圆片工件；
(2)采用SiC水砂纸对步骤(1)获得的钛及钛合金圆片工件进行逐级打磨、无水乙醇超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；
(3)对步骤(2)处理后的钛及钛合金工件进行激光处理：使用激光处理设备，对钛及钛合金圆片工件进行激光处理，获得规律分布的圆形凹坑表面形貌；
(4)将步骤(3)获得的钛及钛合金圆片工件置于箱式气氛炉炉腔内的工件台上，此工件台与电源连接，然后接通电源；
(5)通过调节控制器，使工作电压维持在300V，使箱式气氛炉炉腔内的温度升高，其中钛及钛合金工件温度：TA2纯钛为650℃，Ti6Al4V钛合金为700℃，保温时间均为30h，然后断开电源，使钛及钛合金缓冷到室温；
所述步骤(3)中规律分布的圆形凹坑表面形貌，密度为5％，其中圆形单元的直径为300μm；激光处理的参数为：激光波长为1064nm，测试电压为220V，输出功率为20W，频率为20kHz，加工速度为5mm/s。
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