CN1255579C - 钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法 - Google Patents

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钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法，它涉及一种提高钛和钛合金表面硬度的方法。它的步骤是(1)用3-10克/升的铝酸钠、1-3克/升的次磷酸盐和水制成电解液；(2)以钛合金为基体并作为正极，以不锈钢板为负极并将两者置于电解液中，控制电解液温度在10-40℃；(3)接通脉冲电源，在五分钟内将电流密度调到400-800A/m2，通电反应90-240分钟；(4)取出试样经水洗、干燥即制成成品。本发明利用等离子体氧化法，在钛合金表面直接形成高硬度陶瓷涂层，有如下特点：1.可通过控制电参数和改变电解液成分调解涂层厚度、相组成，有目的提高其硬度、耐磨性能等；2.该方法由于是在基体上原位生长形成陶瓷涂层，因此与基体结合强度高。

Description

钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法
技术领域：本发明涉及一种提高钛和钛合金表面硬度的方法。
背景技术：钛和钛合金因其优良的耐蚀性应用领域日益广阔，但是钛及钛合金耐磨性差，特别是对微动磨损损伤十分敏感。为保证钛和钛合金满足生产实际的要求，针对提高钛合金耐磨性能的表面改性技术研究成为科研工作者关注的热点。目前提高钛合金抗微动损伤的表面处理技术不下10种：喷丸强化、传统阳极氧化、激光氮化、电镀层、干膜润滑层、等离子喷涂或爆炸喷涂层、物理气相沉积、有机涂层、离子注入等。而其中有的有损于钛合金基材常规疲劳性能(如电镀Cr导致其常规疲劳强度降低高达70％)；有的耐久性差如有机粘结剂粘结MoS2或石墨干膜；有的导致钛合金脆断如Ag或Cd镀层。目前针对解决钛合金的高温耐磨性能差和对微动磨损敏感的问题，以固体薄膜润滑剂、硬化表面处理和软金属涂层这三种类型为主的表面改性技术被应用于钛合金的防护上。但是仍然存在以下几个主要问题：1钛及钛合金是对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差的金属，这就使得一些从外部引入物料而形成的陶瓷膜或涂层与基体的结合强度较差。2湿法镀和一些包含高温热处理工艺的手段会引起钛合金的氢脆——钛合金安全应用中的另一隐患。3耐磨和抗疲劳是一对矛盾，很多表面强化处理方法能够提高硬度使钛合金耐磨性能得到改善，但却牺牲了材料的韧性，是以降低钛合金的常规疲劳性能(SF)和微动疲劳性能(FF)为代价的。
发明内容：为解决现有的钛合金耐磨性差、对微动磨损损伤十分敏感的问题，本发明提供一种钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法。本发明方法的步骤是：(1)、用3-10克/升的铝酸钠、1-3克/升的次磷酸盐和水制成电解液；(2)、以钛合金为基体并作为正极，以不锈钢板为负极并将两者置于电解液中，控制电解液温度在10-40℃；(3)、接通脉冲电源，在五分钟内将电流密度调到400-800A/m2，通电反应90-240分钟；(4)、取出试样经水洗、干燥即制成成品。在上述电解液中还可加入添加剂磷钼酸盐或钨酸钠，其加入量为0.3-0.5克/升。所述钛合金为Ti-6Al-4V。本发明所采用的微等离子氧化是一项在金属表面原位生长陶瓷膜的新技术。它能直接把基体金属氧化烧结成氧化物陶瓷膜，不从外部引入物料，有别与一般表面改性技术，使得陶瓷涂层既有高硬度，又保持了氧化膜与基体的结合力。本发明的性能评价：涂层硬度的测试用HVS-1000型数显显微镜硬度计，采用努普压头；陶瓷涂层的耐磨性能测试的摩擦副为轴承钢。本发明用微等离子氧化法，在Ti-6Al-4V合金表面形成高硬度的陶瓷涂层，陶瓷涂层的总厚度达100μm以上，其中耐磨层厚度达到20-60μm。陶瓷涂层的最高硬度达到15GPa，对轴承钢的摩擦系数降为钛合金基体的1/5-1/3，磨损量接近于零。发明效果：本发明利用等离子体氧化法，在钛合金表面直接形成高硬度陶瓷涂层，有如下特点：1.可通过控制电参数和改变电解液成分调解涂层厚度、相组成，有目的提高其硬度、耐磨性能等；2.该方法由于是在基体上原位生长形成陶瓷涂层，因此与基体结合强度高。
具体实施方式一：本实施方式的方法是：1、以铝酸钠7克/升、次亚磷酸钠1.5克/升和水为电解液；2、以Ti-6Al-4V为基体并作为正极，以不锈钢板为负极并将两者置于电解液中，控制电解液温度在10-40℃；3、接通脉冲电源，设定波头数为1、负相占空比0.45、频率50Hz，并在五分钟内使正、负电流密度达400A/m2，通电反应时间90分钟；4、取出试样经水洗、干燥即制成成品。本实施方式形成涂层的厚度为90μm以上，靠基体内层以TiO2、Al2TiO5相为主，外层表面含有α-Al2O3相；涂层的最高硬度达到14.5-15.2GPa；与基体结合强度大于17MPa；该陶瓷涂层对轴承钢的摩擦系数为0.35-0.6之间，此时陶瓷涂层基本不失重而对磨的轴承钢表面划痕较多。
具体实施方式二：本实施方式的方法是：1、以铝酸钠7克/升、次亚磷酸钠1.5克/升和水为电解液；2、以Ti-6Al-4V为基体并作为正极，以不锈钢板为负极并将两者置于电解液中，控制电解液温度在10-40℃；3、接通脉冲电源，设定波头数为1、负相占空比0.45、频率50Hz，并在五分钟内使正、负电流密度达800A/m2，通电反应时间90分钟；4、取出试样经水洗、干燥即制成成品。本实施方式形成涂层的厚度为80μm以上、最高硬度14.5GPa。
具体实施方式三：本实施方式的方法是：1、以铝酸钠4克/升、次亚磷酸钠2克/升和水为电解液；2、以Ti-6Al-4V为基体并作为正极，以不锈钢板为负极并将两者置于电解液中，控制电解液温度在10-40℃；3、接通脉冲电源，设定波头数为1、负相占空比0.45、频率50Hz，并在五分钟内使正、负电流密度达800A/m2，通电反应时间90分钟；4、取出试样经水洗、干燥即制成成品。本实施方式形成涂层的厚度为50μm以上、涂层最高硬度8.5GPa。
具体实施方式四：本实施方式的方法是：1、以铝酸钠7克/升、次亚磷酸钠1.5克/升、钨酸钠0.3克/升(或磷钼酸铵0.5克/升)和水为电解液；2、以Ti-6Al-4V为基体并作为正极，以不锈钢板为负极并将两者置于电解液中，控制电解液温度在10-40℃；3、接通脉冲电源，设定波头数为1、负相占空比0.45、频率50Hz，并在五分钟内使正相电流密度达800A/m2，负电流密度达400A/m2，通电反应时间90分钟；4、取出试样经水洗、干燥即制成成品。本实施方式的结果与具体实施方式一相同，但所形成涂层的含 α-Al2O3相厚度层增加。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二不同的是，以铝酸钠10克/升、次亚磷酸钠1.5克/升和水为电解液，其它参数与具体实施方式二相同。其结果与具体实施方式二相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三不同的是，以铝酸钠3克/升、次亚磷酸钠1克/升和水为电解液，其它参数与具体实施方式一相同。本实施方式形成涂层的厚度为50μm以上，涂层最高硬度为6.5GPa。

Claims (3)

1、钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法，其特征在于其步骤是(1)用3-10克/升的铝酸钠、1-3克/升的次磷酸盐和水制成电解液；(2)以钛合金为基体并作为正极，以不锈钢板为负极并将两者置于电解液中，控制电解液温度在10-40℃；(3)接通脉冲电源，在五分钟内将电流密度调到400-800A/m2，通电反应90-240分钟；(4)取出试样经水洗、干燥即制成成品。
2、根据权利要求1所述的钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法，其特征在于在上述电解液中还可加入添加剂磷钼酸盐或钨酸钠，其加入量为0.3-0.5克/升。
3、根据权利要求1所述的钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法，其特征在于所述钛合金为Ti-6Al-4V。
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