CN115125476B - 一种钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法 - Google Patents

一种钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法，属于表面化学处理技术领域，其包括以下步骤：（1）放置基体：将钛合金基体埋置于电火花液中；（2）电火花加工：采用铜棒作为电极，电极中设有连通电极底端的通孔，通孔内通入高压氮气，旋转的电极伸入步骤（1）的电火花液中对钛合金基体进行电火花加工。此方法通过电极将高压氮气通入电火花液中，不仅形成稳定放电间隙，增大了电火花热的散失，还用电离的氮与钛合金表面的熔池原位生成致密且均匀的氮化钛硬质增强相，增强耐磨性的同时还大幅提高了抗蚀性能。

Description

一种钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法
技术领域
本发明属于表面化学处理技术领域，具体涉及一种钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法。
背景技术
由于钛合金具有低的密度和高的比强度等优良特性，被广泛应用于航空航天领域，但钛合金硬度低，耐磨性差，限制了钛合金的应用领域。针对上述问题，专家学者们试图通过表面改性的方法来提高其耐磨性。其中，有人提出了微弧氧化法，该方法在钛合金的表面生成氧化钛层，能够使钛合金的硬度提高50％左右，但氧化钛层的表面有许多孔洞，影响其强度。
于是，申请人于2015年7月18日向国家专利局提出了“一种利用电火花进行钛合金表面改性的方法”的发明专利申请，公开号为104972188A。其利用电火花脉冲放电产生的瞬时高温融化、气化钛合金工件表面，形成熔池，熔池内的Ti与煤油中的Si粉反应生成TiSi，同时煤油在高温作用下会有一部分C被分离出来，它与熔池中的Ti反应生成TiC，工具电极被电蚀出的SiC一部分会在高温下分解出Si和C，在钛合金表面熔池内与钛结合生成硬质相TiSi和TiC，没有分解的SiC也被融入钛合金表面的熔池内，生成钛合金的耐磨层，达到耐磨的目的。实际应用中发现，此种制备方法不易控制实际参与反应的Si粉用量以及TiC的生成量，以致无法控制所改性钛合金的耐磨程度，耐蚀性也较差。
近年来，TiN涂层具有硬度高、熔点高、强度高以及化学稳定性好等优点，成为一种新型金属陶瓷材料而受到人们的关注。中国发明专利1865485A公开了一种氮化钛金属基陶瓷涂层的反应电火花沉积制备方法，其在氮气保护下，以钛及其合金为旋转电极，利用电火花放电产生的热量将电极和金属基体表面熔融，熔融的电极与电离的氮生成氮化钛，然后沉积在金属基体的熔池中，主要利用了电火花沉积技术，使得沉积层中会有孔隙，影响其致密程度，耐蚀性仍有待提高，并且沉积层的表面比较粗糙。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法，使熔融的钛合金与电离的氮原位生成致密均匀的氮化钛硬质层，同时提高电火花表面处理质量，使得硬质层呈平铺状均匀分布，减少了裂纹等缺陷，提高钛合金的抗蚀能力。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：设计一种钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）放置基体：将钛合金基体埋置于电火花液中；
（2）电火花加工：采用铜棒作为电极，电极中设有多个连通电极底端的通孔，通孔内通入高压氮气，旋转的电极伸入步骤（1）的电火花液中对钛合金基体进行电火花加工；
电火花放电电流为5～15A，电火花加工的工作电源为脉冲电源，脉冲电源的脉冲宽度为30～150μs，脉冲间隔为50～100μs。
优选的，步骤（2）中，高压氮气的压力为0.01～0.04 MPa，氮气的纯度大于99.9%。
优选的，步骤（2）中，高压氮气的压力为0.02～0.03 MPa。
优选的，步骤（2）中，电火花放电电流为10A，脉冲电源的脉冲宽度为90μs，脉冲间隔为75μs。
优选的，脉冲电源的电压为85～95V。
优选的，脉冲电源的电压为90V。
优选的，所述通孔总面积在电极横截面中的占比为50～70%。
优选的，步骤（2）中，电极的转速为150～350rmp。
优选的，放置基体之前，还包括清理基体的步骤：用酒精超声振动清洗，然后烘干备用。
优选的，基体的清洗时间为5分钟，清洗之前先后用目数从低到高的砂纸依次打磨。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用在电火花液中通过电极通入高压氮气对钛合金基体表面进行电火花加工，钛合金在被电火花放电高温熔融的同时与被电离的高压氮气发生原位反应，生成氮化钛硬质层，在电火花加工的过程中，形成了液体包围气体的状态，不仅使得电火花热通过气体传递液体，减少裂纹等表面缺陷；还使得电火花液压缩了电火花放电的气流通道，一方面利于维持氮气的高压状态，能够增大氮气进入钛合金熔池的量，进而增大氮气的反应量，使得硬质层不再依附于电火花沉积层，避免了沉积层形成过程中孔隙的产生，形成致密均匀的硬质层；另一方面高压氮气使得熔融层平铺开来，覆盖电火花加工中的细小缺陷，继而提高防御能力，增强钛合金基体的抗蚀性。
2、在电火花加工过程中，电火花液和氮气不产生有害物质，实现绿色加工。
3、特定范围的电火花放电电流及脉冲电源的宽度间隔，影响电火花放电产生的热量，使得钛合金基体的表面达到较理想的熔融状态，为原位生成氮化钛硬质增强相提供反应条件。
4、特定的高压氮气压力范围，能够约束气流放电间隙的大小，提供了电火花放电的稳定性，同时周围的电火花液又加速了热量的传导，提高电火花加工效率，还避免了加工表面的急冷急热的现象，大大减少了裂纹等加工缺陷的产生。
5、氮气的纯度和钛合金基体的清理，则提高了氮化钛硬质增强相的纯度，利于提高钛合金基体的整体耐磨性能。
6、本发明构思巧妙，通过电极将高压氮气通入电火花液中，不仅形成稳定的放电间隙，增大了电火花热的散失，还用电离的氮与钛合金表面的熔池原位生成致密且均匀的氮化钛硬质增强相，增强耐磨性的同时还大幅提高了抗蚀性能，便于在本领域内推广应用。
附图说明
图1是本发明电火花加工结构示意图；
图2是电极的横截面放大图；
图3是实施例一所得基体表面的电子显微镜扫描图；
图4是对比例所得基体表面的电子显微镜扫描图。
图中标记为：1、钛合金基体；2、电火花液；3、电极；4、通孔。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
将本发明处于工作状态时，远离地面的一端定义为顶端或者上端，相应地将靠近地面的另一端定义为底端或者下端；将垂直于电极3轴向的平面定义为横截面。
实施例一
本实施例经由以下步骤在钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层：
（1）清理基体：先后用目数从低到高的砂纸依次打磨钛合金基体1，然后用酒精超声振动清洗钛合金基体15分钟，烘干备用；
（2）放置基体：如图1所示，将经步骤（1）处理的钛合金基体1埋置于电火花液2中；
（3）电火花加工：采用铜棒作为电极3，如图2所示，电极3中设有多个连通电极3底端的通孔4，通孔4内通入高压氮气，旋转的电极3将其底端伸入步骤（2）的电火花液2中对钛合金基体1进行电火花加工；使得高压氮气向周围吹动电火花液2，形成被挤压缩小的气流放电通道，增强了放电的稳定性，同时周围包围的液体又一定程度上加速了电火花热的散失，提高电火花加工速度，同时气流通道阻隔了加工面与电火花液2的直接接触，避免了电火花加工面的急冷急热现象，减少了裂纹等加工缺陷，形成了钛合金基体1的严密防御层。
上述电火花加工过程中，放电电流为5A，工作电源为脉冲电源，脉冲电源的脉冲宽度为150μs，脉冲间隔为50μs，脉冲电源的电压为85V，高压氮气的压力为0.01MPa，氮气的纯度大于99.9%。通孔4在电极3的横截面中的面积占比为50%，电极3的转速为350rmp。
将上述处理的钛合金基体和未经处理的钛合金基体，在3.5%的NaCl溶液中进行了电位电化学腐蚀对比试验，经处理钛合金基体的腐蚀速度6.07x10-5mm/a，腐蚀电流2.76x10-6mA/cm2；未处理钛合金基体的腐蚀速度1.04x10-3mm/a，腐蚀电流1.02x10-4mA/cm2。可见，由于TiN的钝化作用，使极化电位向正方向移动250mV，从而提高了耐蚀性。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于：
电火花加工过程中，放电电流为15A，脉冲电源的脉冲宽度为30μs，脉冲间隔为100μs，脉冲电源的电压为95V，高压氮气的压力为0.04 MPa。通孔4在电极3的横截面中的面积占比为70%，电极3的转速为150rmp。其余均同实施例一。
在3.5%的NaCl溶液中进行了电位电化学腐蚀对比试验，经处理钛合金基体的腐蚀速度6.12x10-5mm/a，腐蚀电流2.83x10-6mA/cm2。
实施例三
本实施例与实施例一的不同之处在于：
电火花加工过程中，放电电流为15A，脉冲电源的脉冲宽度为150μs，脉冲间隔为50μs，脉冲电源的电压为90V，高压氮气的压力为0.02 MPa。通孔4在电极3的横截面中的面积占比为50%，电极3的转速为350rmp。其余均同实施例一。
在3.5%的NaCl溶液中进行了电位电化学腐蚀对比试验，经处理钛合金基体的腐蚀速度5.86x10-5mm/a，腐蚀电流2.69x10-6mA/cm2。
实施例四
本实施例与实施例一的不同之处在于：
电火花加工过程中，放电电流为10A，脉冲电源的脉冲宽度为30μs，脉冲间隔为100μs，脉冲电源的电压为90V，高压氮气的压力为0.03 MPa。通孔4在电极3的横截面中的面积占比为60%，电极3的转速为250rmp。其余均同实施例一。
在3.5%的NaCl溶液中进行了电位电化学腐蚀对比试验，经处理钛合金基体的腐蚀速度5.92x10-5mm/a，腐蚀电流2.76x10-6mA/cm2。
实施例五
本实施例与实施例一的不同之处在于：
电火花加工过程中，放电电流为10A，脉冲电源的脉冲宽度为90μs，脉冲间隔为75μs，脉冲电源的电压为90V，高压氮气的压力为0.03MPa。通孔4在电极3的横截面中的面积占比为60%，电极3的转速为250rmp。其余均同实施例一。
在3.5%的NaCl溶液中进行了电位电化学腐蚀对比试验，经处理钛合金基体的腐蚀速度6.01x10-5mm/a，腐蚀电流2.84x10-6mA/cm2。
对比例
对比例与实施例一的不同之处在于：将钛合金基体放置于空气中进行电火花加工，而不是将基体放置于电火花液中。所用电极及加工参数与实施例一一致，所得加工基体表面的电子显微镜扫描图如图4所示，图3为实施例一所得基体表面的电子显微镜扫描图。通过对比图3和图4，可以看出图3的平整性明显好于图4。
将对比例在3.5%的NaCl溶液中进行了电位电化学腐蚀对比试验，经处理钛合金基体的腐蚀速度7.87x10-4mm/a，腐蚀电流8.02x10-5mA/cm2。
还对上述实施例和对比例制得的氮化钛层进行了检测，其检测结果如下表：
Figure 937145DEST_PATH_IMAGE001
从上表中可以看出，实施例一与对比例相比，二者表面的粗糙度和硬度有明显差异。另外，采用对比例的相应方式，即仅改变基体的放置环境，对实施例二至五分别进行了对比试验，试验结果与对比例水平相当，故不再一一罗列。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）清理基体：先后用目数从低到高的砂纸依次打磨钛合金基体，然后用酒精超声振动清洗钛合金基体5分钟，烘干备用；
（2）放置基体：将经步骤（1）处理的钛合金基体埋置于电火花液中；
（3）电火花加工：采用铜棒作为电极，电极中设有多个连通电极底端的通孔，通孔总面积在电极横截面中的占比为50～70%，通孔内通入高压氮气，高压氮气的压力为0.01～0.04MPa，高压氮气的纯度大于99.9%，旋转的电极伸入步骤（2）的电火花液中对钛合金基体进行电火花加工，电极的转速为150～350rmp，电火花液和氮气不产生有害物质；
电火花放电电流为5～15A，电火花加工的工作电源为脉冲电源，脉冲电源的脉冲宽度为30～150μs，脉冲间隔为50～100μs，脉冲电源的电压为85～95V。
2.按照权利要求1所述的钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，高压氮气的压力为0.02～0.03 MPa。
3.按照权利要求1或2所述的钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，电火花放电电流为10A，脉冲电源的脉冲宽度为90μs，脉冲间隔为75μs。
4.按照权利要求3所述的钛合金表面原位生成氮化钛耐磨抗蚀层的制备方法，其特征在于：脉冲电源的电压为90V。
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