CN112481580A - 一种tc4钛合金表面复合处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于TC4钛合金表面处理技术领域。为了提高TC4钛合金的表面硬度和耐磨的综合性能，本发明公开了一种TC4钛合金表面复合处理的方法。该方法包括：步骤S1，对TC4钛合金进行氧化处理；步骤S2，对经过步骤S1中氧化处理的TC4钛合金进行真空热处理，其中真空压力保持在1×10‑3～1×10‑1pa；步骤S3，对经过步骤S2中真空热处理的TC4钛合金进行物理气相沉积处理，在TC4钛合金表面形成复合膜。采用本发明的方法，可以使TC4钛合金在硬度、渗层厚度和耐磨性方面得到综合性提升，实现对TC4钛合金的表面强化效果。

Description

一种TC4钛合金表面复合处理的方法
技术领域
本发明属于TC4钛合金表面处理技术领域，具体涉及一种TC4钛合金表面复合处理的方法。
背景技术
钛合金由于其密度仅为4.51g/cm3,不及钢密度的60％，并且比强度高，无磁性，透声性能好，抗冲击，在大多数酸、碱和盐溶液中均有优异的耐腐蚀性能，对海水尤其是污染后的海水的耐腐蚀性能极其优越，而被广泛地应用于航空航天、常规武器、石油化工、船舰和生物医学等领域。
其中，TC4钛合金是钛合金中运用最为广泛的合金，是一种全球通用的钛合金，不仅在室温且在高温下仍具有良好的力学性能、优异的抗疲劳和抗裂纹扩展能力、优异的抗腐蚀性能、具有优异的综合性能和良好的工艺性能。然而，TC4钛合金的硬度一般不超过350HV，较钢等常用材料的硬度要低，而且其表面的耐摩擦磨损性也较差，由此制约了TC4钛合金在管道、阀门及配件等要求具备高硬度、高耐磨性等特殊环境的使用和推广。
发明内容
为了提高TC4钛合金的硬度和表面耐磨损性能，本发明提出了一种TC4钛合金表面复合处理的方法，以提高TC4钛合金的表面硬度和耐磨性的综合性能。
本发明的TC4钛合金表面复合处理的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，对TC4钛合金进行氧化处理；
步骤S2，对经过步骤S1中氧化处理的TC4钛合金进行真空热处理，其中真空压力保持在1×10-3～1×10-1pa；
步骤S3，对经过步骤S2中真空热处理的TC4钛合金进行物理气相沉积处理，在TC4钛合金表面形成复合膜。
优选的，在所述步骤S1的氧化处理中，氧化温度为650～950℃，氧化时间为0.5～1h。
进一步优选的，在所述步骤S1的氧化处理中，氧化温度为700～800℃。
优选的，在所述步骤S2的真空热处理中，处理温度为650～950℃，处理时间为20～24h。
进一步优选的，在所述步骤S2的真空热处理中，处理温度为700～800℃，处理时间为22～24h。
优选的，在所述步骤S3的物理气象沉积处理中，选用TIN作为表面涂层介质。
进一步优选的，在所述步骤S3的物理气象沉积处理中，将温度控制为300～350℃，时间为3h。
优选的，在所述步骤S1中，对TC4钛合金进行氧化处理前预先进行表面的清洁和烘干处理。
优选的，在所述步骤S3中，对TC4钛合金进行物理气相沉积处理之前，预先对完成步骤S2中真空热处理的TC4钛合金进行表面修整处理。
进一步优选的，对TC4钛合金进行表面研磨修整使其表面粗糙度≤R0.8μm。
在本发明的技术方案中，通过对TC4钛合金依次进行氧化处理、真空热处理以及物理气象沉积处理，并且对氧化处理过程中的温度和时间以及真空热处理过程中的真空压力值和温度时间进行精准控制，从而可以通过氧化处理在TC4钛合金表面形成具有一定硬度的氧化层作为后续处理基础上，再利用该氧化层作为氧库进行真空热处理，以增强氧化层向TC4钛合金基体内部的扩散，提升TC4钛合金表面氧化层厚度的同时，进一步为后续的物理气相沉积提供良好的硬度梯度和结合介质，这样再通过对TC4钛合金进行物理气相沉积后，就可以在真空热处理所形成氧化层的表面产生一层硬度高、结合牢固的物理气象沉积薄膜，从而最终在TC4钛合金表面形成由氧化层和物理气象沉积层构成并且硬度高、厚度大、结合力强的复合膜，达到对TC4钛合金表面硬度和耐磨性的综合性能提升。
附图说明
图1为采用实施例1方法对TC4钛合金工件进行表面处理的流程示意图；
图2为对实施例1所获得TC4钛合金进行压痕测试形成的图片；
图3为实施例1所获得TC4钛合金中PVD层厚度的金相照片
图4为对比例1所获得TC4钛合金中硬度层厚度的金相照片；
图5为对比例2所获得TC4钛合金中硬度层厚度的金相照片；
图6为对对比例3所获得TC4钛合金进行压痕测试形成的图片；
图7为对比例3所获得TC4钛合金中PVD层厚度的金相照片；
图8为对对比例4所获得TC4钛合金进行压痕测试形成的图片；
图9为对比例4所获得TC4钛合金中PVD层厚度的金相照片。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
实施例1
结合图1所示，采用本发明中实施例1的技术方案对TC4钛合金工件进行表面复合处理，具体步骤如下：
步骤S1，对TC4钛合金工件进行氧化处理。
在本实施例中，预先对进行氧化处理的TC4钛合金工件进行除锈和除油的表面清洁处理和烘干处理，例如借助超声波清洗机对TC4钛合金工件的表面清洁处理并对清洁后的TC4钛合金工件进行烘干处理，从而避免存留在TC4钛合金工件表面的油污、锈迹等杂志对氧化处理的影响，保证氧化处理后获得均匀的氧化层。同样，在其他实施例中，也可以根据TC4钛合金工件尺寸选用其他方式对其进行表面清洁处理。
其中，针对TC4钛合金进行的氧化处理，在本实施例中，选用箱式炉进行氧化处理操作，将TC4钛合金工件置于炉内并且将炉内温度升至700～800℃，保温40min，从而在TC4钛合金工件表面生成一层厚度和硬度均匀的氧化层。
在其他实施例中，根据待氧化处理TC4钛合金工件的尺寸和形状，可以对炉内的温度和氧化时间进行调整以将氧化温度控制在650～950℃之间，将氧化时间控制在0.5～1h，以保证可以在TC4钛合金表面形成一层厚度均匀、硬度稳定的氧化层。
步骤S2，对经过氧化处理的TC4钛合金工件进行真空热处理。
在本实施例中，将经过步骤S1中氧化处理后的TC4钛合金置于真空热处理炉中，对真空热处理炉进行抽真空至1×10-3～1×10-1pa，并加热至700～800℃保温22h。在此过程中，可以使位于TC4钛合金工件表面氧化层中的氧增强扩散至TC4钛合金工件的基体中，并由此在TC4钛合金工件的表面形成一层厚度更大的氧化增强区域，同时将其表面硬度保持在大约600～750HV。
同样，在其他实施例中，根据TC4钛合金工件的尺寸和形状，可以在650～950℃以及22～24h区间内调整真空热处理的温度和时间，从而使TC4钛合金工件表面形成有效氧化增强区域的同时，将其表面硬度控制在600～750HV之间。
步骤S3，对经过真空热处理的TC4钛合金工件进行物理气相沉积处理，在TC4钛合金表面形成复合膜。
在本实施例中，选用TIN作为物理气相沉积的表面涂层介质，并且在300～350℃的温度下，对TC4钛合金工件进行3h的物理气象沉积处理，从而在TC4钛合金工件的表面形成由TIN薄膜和氧化扩散层相结合的复合膜，从而获得标记为“氧化+真空热处理+PVD”的TC4钛合金。
优选的，在本实施例中，对经过真空热处理的TC4钛合金进行物理气相沉积之前，预先对TC4钛合金工件进行表面修整处理，以提高其表面的平整效果，保证所形成TIN薄膜可以均匀的覆盖在TC4钛合金表面。其中，在本实施例中，通过对TC4钛合金进行研磨处理，使其表面粗糙度≤R0.8μm，以保证其表面的平整效果。
对比例1
采用与实施例1相同的方法对TC4钛合金工件进行处理，其区别在于，仅对TC4钛合金工件进行氧化处理，而不再进行后续的真空处理和物理气相沉积处理，获得标记为“氧化”的TC4钛合金。
对比例2
采用与实施例1相同的方法对TC4钛合金工件进行处理，其区别在于，对TC4钛合金工件先后进行氧化处理和真空热处理，而不再进行物理气象沉积处理，获得标记为“氧化+真空热处理”的TC4钛合金。
对比例3
采用与实施例1相同的方法对TC4钛合金工件进行处理，其区别在于，对TC4钛合金工件直接进行物理气象沉积处理，获得标记为“PVD”的TC4钛合金。
对比例4
采用与实施例1相同的方法对TC4钛合金工件进行处理，其区别在于，对TC4钛合金工件先后进行氧化处理和物理气象沉积处理，获得标记为“氧化+PVD”的TC4钛合金。
接下来，以未经处理的TC4钛合金为样件，对由实施例1以及对比例1至对比例4分别获得的TC4钛合金进行表面硬度检测、表面硬度层厚度检测以及PVD膜厚度检测。其中，采用压痕法对不同的TC4钛合金进行硬度检测并且采用多点取平均值的方式获得最终硬度，由此获得表1所列相关硬度、硬度层厚度以及PVD膜厚度的数据以及图2至图9所示的相关图片。
表1
序号 处理方式 硬度HV<sub>0.05</sub> 硬化层厚度μm PVD膜厚度μm
样件 无 300 0 -
实施例1 氧化+真空热处理+PVD 1127 211.4 2.27
对比例1 氧化 742 36 -
对比例2 氧化+真空热处理 610 209 -
对比例3 PVD 1021 - 1
对比例4 氧化+PVD 929 - 0.97
根据表1所记载样件、实施例1、对比例1和对比例2的硬度数据和硬度层数据以及图4所示对比例1所获得TC4钛合金中硬度层厚度的金相照片和图5所示对比例2所获得TC4钛合金中硬度层厚度的金相照片可知：经过对TC4钛合金工件进行氧化处理后，可以在TC4钛合金表面形成一层厚度为36μm、硬度为742HV的氧化层，从而使TC4钛合金的表面硬度性能得到一定提升，具有了一定的硬度和耐磨性。接着再进行真空热处理可以使TC4钛合金表面的氧化层形成深度扩散效果，即在真空热处理过程中以氧化层作为氧库，使具有高硬度的氧化层进行大幅度深度扩散，这样虽然其表面硬度略有降低但硬度层厚度可以大幅度提升至209μm，即在TC4钛合金表面保持一定硬度的情况下，通过真空热处理可以大幅度增加硬度层厚度，提升表面的耐磨性。进一步再通过物理气象沉积处理，可以在TC4钛合金表面形成一层TIN薄膜，这样不仅可以进一步提升其表面硬度层厚度，而且可以在弥补真空热处理导致硬度降低情况下再进一步大幅度提升其表面硬度，从而使TC4钛合金达到高硬度、高耐磨的综合性能。
进一步，根据表1所记载实施例1、对比例3和对比例4的硬度数据和PVD膜厚度数据以及图2所示对实施例1所获得TC4钛合金进行压痕测试形成的图片、图3所示实施例1所获得TC4钛合金中PVD层厚度的金相照片、图6所示对对比例3所获得TC4钛合金进行压痕测试形成的图片、图7所示对比例3所获得TC4钛合金中PVD层厚度的金相照片、图8所示对比例4中TC4钛合金进行压痕测试形成的图片和图9所示对比例4所获得TC4钛合金中PVD层厚度的金相照片可知：通过直接在TC4钛合金表面进行物理气象沉积处理，虽然可以获得厚度在1μm左右、硬度大约为1000HV的PVD薄膜，但是根据图6所示压痕测试图可以看出，在压痕周围出现明显坍塌现象，即TC4钛合金的基体硬度并没有得到有效提升，在此情况下钛合金的耐磨性能直接受限，无法在使用过程中保持PVD薄膜的有效硬度和耐磨效果；通过对TC4钛合金进行氧化处理之后直接进行物理气象沉积处理，即在氧化层表面直接覆盖一层PVD薄膜，这样不仅会造成其表面硬度和薄膜厚度均下降，而且根据图8所示压痕测试图可以看出，经过压痕处理后的压痕周围直接出现PVD薄膜脱落的现象，即在此情况下PVD薄膜几乎完全失去与TC4钛合金基体的结合，根本无法在TC4钛合金表面形成有效的PVD薄膜，更无法对TC4钛合金的表面硬度和耐磨性进行有效提升，然而采用实施例1方法处理后的TC4钛合金，不仅其表面可以达到1100HV以上的硬度，而且根据图2所示可以由此所获得的复合膜与基体形成了有效的牢固结合，并由此也大大增加了TC4钛合金表面可有效结合的PVD薄膜厚度，进而获得更高的耐磨性能，提高对TC4钛合金表面硬度和耐磨的综合性能提升。

Claims (10)

1.一种TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，对TC4钛合金进行氧化处理；
步骤S2，对经过步骤S1中氧化处理的TC4钛合金进行真空热处理，其中真空压力保持在1×10-3～1×10-1pa；
步骤S3，对经过步骤S2中真空热处理的TC4钛合金进行物理气相沉积处理，在TC4钛合金表面形成复合膜。
2.根据权利要求1所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，在所述步骤S1的氧化处理中，氧化温度为650～950℃，氧化时间为0.5～1h。
3.根据权利要求2所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，在所述步骤S1的氧化处理中，氧化温度为700～800℃。
4.根据权利要求1所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，在所述步骤S2的真空热处理中，处理温度为650～950℃，处理时间为20～24h。
5.根据权利要求4所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，在所述步骤S2的真空热处理中，处理温度为700～800℃，处理时间为22～24h。
6.根据权利要求1所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，在所述步骤S3的物理气象沉积处理中，选用TIN作为表面涂层介质。
7.根据权利要求6所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，在所述步骤S3的物理气象沉积处理中，将温度控制为300～350℃，时间为3h。
8.根据权利要求1-6中任意一项所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，对TC4钛合金进行氧化处理前预先进行表面的清洁和烘干处理。
9.根据权利要求1-6中任意一项所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对TC4钛合金进行物理气相沉积处理之前，预先对完成步骤S2中真空热处理的TC4钛合金进行表面修整处理。
10.根据权利要求9所述的TC4钛合金表面复合处理的方法，其特征在于，对TC4钛合金进行表面研磨修整使其表面粗糙度≤R0.8μm。
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