CN116000313A - 提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法，方法中，选区激光熔化制备具有表面微结构的钛合金，其中，所述表面微结构中的相邻微凸结构之间存在间隙；采用加热和淬火工艺对具有表面微结构的钛合金进行热处理；对经过热处理的钛合金的表面进行疏水强化处理，其中，在所述间隙填充聚四氟乙烯溶液。钛合金表面原位生成的具有疏水和硬化作用的薄层与钛合金基体结合紧密且稳定，显著提高其表面疏水特性和耐磨性。

Description

提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法

技术领域

本发明属于钛合金表面处理技术领域，特别是一种提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法。

背景技术

钛合金材料因其优异综合力学性能(高比强度、疲劳强度、断裂韧性和高温稳定性)和低密度在航空航天航海领域、军事领域、能源领域和医疗领域具有很好的应用前景。然而钛合金材料硬度低、摩擦系数高、耐磨性差严重制约其在上述领域的推广应用。尤其面对海洋等存在冲刷与腐蚀的工作环境，需要通过表面处理技术对钛合金材料的耐磨抗蚀性进行调控。

提高钛合金材料表面的疏水性可有效降低材料表面由于电解池形成的电化学腐蚀。目前通过表面处理提高钛合金材料耐磨抗蚀性能的设计思路主要包括两种：一是在具有低表面能的材料表面构建粗糙的微纳米结构提高材料表面疏水性，包括刻蚀法、阳极氧化法和溶液浸泡法等；二是采用低表面能物质对粗糙的表面进行修饰，包括气相化学沉积法、溶胶凝胶法、逐层自组装技术和电化学沉积法等。现有的表面处理工艺可在一定程度上提高钛合金材料表面疏水特性，进而提高其抗腐蚀性。然而上述微观结构或者修饰物质与基体材料界面结合强度较低，在海水浸泡和冲刷作用下难以稳定保持，降低材料表面耐蚀性的持久性和稳定性。因此，为了提高钛合金材料表面耐腐蚀性的持久性及耐磨损性能，探索新的表面处理方法是十分必要的。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法,通过在钛合金表面原位生成兼顾疏水特性和高硬度的致密薄层，可有效提高钛合金材料表面疏水性和耐磨性，显著提升钛合金材料在海水冲刷和腐蚀环境中的耐磨抗蚀性能及应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法包括：

步骤1，通过选区激光熔化制备具有表面微结构的钛合金，其中，所述表面微结构中的相邻微凸结构之间存在间隙；

步骤2，采用加热和淬火工艺对具有表面微结构的钛合金进行热处理；

步骤3，对经过热处理的钛合金的表面进行疏水强化处理，其中，在所述间隙填充聚四氟乙烯溶液。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法中，步骤1中，选区激光熔化所采用的钛合金粉末为球形粉末，粒径分布为30～75μm。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法中，步骤1中，微凸结构包括方形凸起，其尺寸为1mm×1mm×0.5mm，相邻方柱的间隙为0.3mm。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法中，步骤2中，采用感应加热装置对具有表面微结构的钛合金进行加热，同时采用高纯氩气对样件进行保护；加热功率为5～10kW,加热至600～1000℃并保温2～5分钟。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法中，步骤2中，采用浓度为20-35wt.％的乙醇溶液作为淬火介质，将加热完毕的钛合金浸没在所述淬火介质中进行淬火处理，浸没时间保持在1～5分钟。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法中，步骤2中，浓度为5～10wt.％的聚四氟乙烯溶液对经过淬火处理的钛合金的表面微结构的所述间隙进行填充，并利用鼓风干燥箱进行干燥处理，重复填充直至钛合金表面微结构的间隙完全填充。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法中，步骤1中，钛合金几何尺寸为20mm×20mm×5mm。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法既能提高钛合金材料表面的疏水性，同时又能提升其表面耐磨性；热处理技术中通过在钛合金表面原位形成耐磨疏水特征的钛化物薄层与基体结合紧密，可显著提升钛合金材料表面疏水特性的稳定性与持久性；本发明表面处理工艺流程操作简单、省时、高效且质量可靠，适用于快速表面处理提升其耐磨抗蚀处理需求，提高生产效率；通过在微凸间隙填充具有疏水特征的聚四氟乙烯，能够在磨损过程中为接触面持续提供疏水物质，赋予接触面疏水自愈合特征，提高钛合金材料表面的抗腐蚀持久性。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明一个实施例提供的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的钛合金的形貌示意图，其中，(a)为选区激光熔化打印制备钛合金表面微结构的形貌示意图，(b)经过热处理的钛合金表面微结构的形貌示意图，和(c)经过疏水强化的钛合金表面结构的形貌示意图；利用3D打印在钛合金表面构建拓扑微结构以实现耐磨接触面与疏水性自修复介质存储协同功能；经过感应快速加热与乙醇介质淬火同时实现钛合金表面硬度和疏水性强化；进一步在微结构间隙填充疏水介质为磨损面提供疏水修复功能；

图2是本发明一个实施例提供的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的微结构的钛合金的微凸表面接触角示意图，其中，(a)选区激光熔化打印钛合金的微凸表面接触角，(b)经过热处理钛合金的微凸表面接触角和(c)经过聚四氟乙烯疏水的钛合金的微凸表面接触角；经过3D打印的表面具有拓扑微结构钛合金呈现较强的亲水特征；经过淬火处理的钛合金表面形成二氧化钛疏水介质使钛合金表面润湿性转变成疏水特征；进一步间隙填充和表面涂覆疏水介质强化钛合金表面疏水特性和疏水特性自修复功能；

图3是本发明一个实施例提供的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的经过选区激光熔化工艺理制备的表面具有微结构的钛合金摩擦系数，经过感应加热与淬火处理的钛合金摩擦系数以及商用钛合金表面摩擦系数的比较示意图；经过3D打印的钛合金表面耐磨性在起始阶段呈现轻微的强化效果；而经过淬火处理的钛合金表面在整个摩擦周期中摩擦系数呈现出明显的降低特征；

图4是本发明一个实施例提供的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的表面微结构的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

在一个实施例中，如图1至图4所示，提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法包括，

步骤1，选区激光熔化制备具有表面微结构的钛合金，其中，所述表面微结构中的相邻微凸结构1之间存在间隙2；

步骤2，采用加热和淬火工艺对具有表面微结构的钛合金进行热处理；

步骤3，对经过热处理的钛合金的表面进行疏水强化处理，其中，在所述间隙2填充聚四氟乙烯溶液。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的优选实施方式中，步骤1中，选区激光熔化所采用的钛合金粉末为球形粉末，粒径分布为30～75μm。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的优选实施方式中，步骤1中，微凸结构1包括方形凸起，其尺寸为1mm×1mm×0.5mm，相邻方柱的间隙2为0.3mm。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的优选实施方式中，步骤2中，采用感应加热装置对具有表面微结构的钛合金进行加热，同时采用高纯氩气对样件进行保护；加热功率为5～10kW,加热至600～1000℃并保温2～5分钟。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的优选实施方式中，步骤2中，采用浓度为20-35wt.％的乙醇溶液作为淬火介质，将加热完毕的钛合金浸没在所述淬火介质中进行淬火处理，浸没时间保持在1～5分钟。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的优选实施方式中，步骤2中，浓度为5～10wt.％的聚四氟乙烯溶液对经过淬火处理的钛合金的表面微结构的所述间隙2进行填充，并利用鼓风干燥箱进行干燥处理，重复填充直至钛合金表面微结构的间隙2完全填充。

所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法的优选实施方式中，步骤1中，钛合金几何尺寸为20mm×20mm×5mm。

在一个实施例中，所述表面微结构的尺寸为毫米级至微米级。

实施例1

本实施例提供一种提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法包括如下步骤：

步骤1，具有表面微结构的钛合金式样制备：采用选区激光熔化工艺打印表面具有正方形微凸拓扑结构的钛合金式样，相邻微凸结构1之间存在一定宽度的间隙2，如图4所示。

具体地，在步骤1中包括以下步骤：首先，选取粉末粒径为30-75μm的钛合金球形粉作为打印原料；然后根据设计图纸参数设定打印程序参数，确定打印激光功率及光斑移动速率分别为500-1500W和100-1000mm/s，获得表面具有正方形微凸结构1的钛合金式样。

步骤2，钛合金材料热处理：采用感应加热对表面具有微结构的钛合金式样在保护气氛下进行快速加热，并对加热的钛合金式样进行乙醇介质淬火处理。

具体地，在步骤2中包括以下步骤：首先，将选区激光熔化打印钛合金式样置于丙酮溶液中采用超声清洗进行表面清洁以及干燥处理；然后根据钛合金式样的尺寸设置感应加热功率和温度为500-1500W和600-1000℃；采用氩气作为保护气氛进行快速加热至设定温度并保温2～5分钟。采用无水乙醇试剂配置浓度为20-45wt％的淬火试剂，然后将加热的钛合金样件浸没于该淬火溶液中进行淬火处理2-5分钟，获得表面具有钛的氧化物和碳化物薄层结构。

步骤3，表面疏水特性强化：对经过热处理的钛合金式样表面拓扑结构间隙2填充聚四氟乙烯溶液，多次填充实现间隙2充分填充。

具体地，在步骤3中包括以下步骤：采用浓度为60％的聚四氟乙烯溶液进行稀释配置浓度为5-10wt.％的浸渍溶液，将经过热处理的钛合金式样浸没在该溶液中对表面间隙2进行填充并在60℃进行干燥；对经过干燥的钛合金样件重复上述浸没与干燥处理直至间隙2充分填充疏水介质。

在一个实施例中，步骤1中，选区激光熔化的工艺参数为：激光功率500-1500W，光斑直径0.06-0.1mm，光斑移动速率100-1000mm/s。

在一个实施例中，步骤1中，选区激光熔化选用的粉末参数为：TC4钛合金球形粉末，粉末粒径30-75μm，中位径50μm。

在一个实施例中，步骤2中，感应加热的工艺参数为：感应电流5-15A，氩气流量10ml/min。

在一个实施例中，步骤2中，感应加热的处理工艺为：加热温度600-1000℃，保温时间2-5分钟。

在一个实施例中，步骤2中，淬火介质的成分参数为：无水乙醇配置浓度为20-45wt％的淬火溶液500ml。

在一个实施例中，步骤2中，淬火处理工艺参数为：感应加热的钛合金材料完全浸没在500ml淬火介质中保持2-5分钟。

在一个实施例中，步骤3中，疏水介质成分参数为：采用质量分数为60wt.％的聚四氟乙烯溶液配置浓度为5-10wt.％的水溶液。进一步地，步骤3中，疏水强化处理工艺为：将淬火处理的钛合金材料浸没在上述配置的聚四氟乙烯溶液5-10min，取出置于鼓风干燥箱进行干燥，多次重复上述操作直至钛合金表面微结构间隙2充分填充疏水介质。

在一个实施例中，方法包括，采用激光选区熔化技术制备表面具有微结构的TC4钛合金；对该钛合金在氩气保护下进行感应加热使钛合金表面快速升温至1000℃，将该样件在含有乙醇(无水乙醇浓度，20-35wt.％)的溶液介质中进行淬火实现钛合金表面淬火硬化，同时淬火介质中的乙醇在高温作用下与钛合金表面钛元素原位生成碳化钛和二氧化钛致密薄层改变钛合金表面润湿特性和力学特性；采用聚四氟乙烯溶液(PTFE浓度，10-20wt.％)对钛合金样件表面微结构间隙2填充进一步强化其表面疏水持久性。相比于现有耐磨涂层技术，本发明中的表面处理技术操作流程简单高效，钛合金表面原位生成的具有疏水和硬化作用的薄层与钛合金基体结合紧密且稳定，显著提高其表面疏水特性和耐磨性。该表面处理工艺对提高海洋环境中设备的耐磨抗蚀性能具有重要价值。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (7)

1.一种提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法，其特征在于，其包括以下步骤，

步骤1，通过选区激光熔化制备具有表面微结构的钛合金，其中，所述表面微结构中的相邻微凸结构之间存在间隙；

步骤2，采用加热和淬火工艺对具有表面微结构的钛合金进行热处理；

步骤3，对经过热处理的钛合金的表面进行疏水强化处理，其中，在所述间隙填充聚四氟乙烯溶液。

2.根据权利要求1所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法，其特征在于，优选的，步骤1中，选区激光熔化所采用的钛合金粉末为球形粉末，粒径分布为30～75μm。

3.根据权利要求1所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法，其特征在于，步骤1中，微凸结构包括方形凸起，其尺寸为1mm×1mm×0.5mm，相邻方柱的间隙为0.3mm。

4.根据权利要求1所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法，其特征在于，步骤2中，采用感应加热装置对具有表面微结构的钛合金进行加热，同时采用高纯氩气对样件进行保护；加热功率为5～10kW,加热至600～1000℃并保温2～5分钟。

5.根据权利要求1所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法，其特征在于，步骤2中，采用浓度为20-35wt.％的乙醇溶液作为淬火介质，将加热完毕的钛合金浸没在所述淬火介质中进行淬火处理，浸没时间保持在1～5分钟。

6.根据权利要求1所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法，其特征在于，步骤2中，浓度为5～10wt.％的聚四氟乙烯溶液对经过淬火处理的钛合金的表面微结构的所述间隙进行填充，并利用鼓风干燥箱进行干燥处理，重复填充直至钛合金表面微结构的间隙完全填充。

7.根据权利要求1所述的提高钛合金表面耐磨疏水特性的处理方法，其特征在于，步骤1中，钛合金几何尺寸为20mm×20mm×5mm。

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