CN104562098A - 一种采用电子束合成钛镍合金层的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用电子束合成钛镍合金层的方法，包括如下工艺步骤：1纯钛基体面预处理：2将预处理后的钛基体放入配制好的电镀液中，进行电镀镍处理，在钛基体表面获得的镀层厚度为4~8μm，3将带有镀层的经清洗，烘干后获得基体钛基镀镍试样，放入强流脉冲电子束仪器的真空样品室内；4采用强流脉冲电子束辐照轰击钛基镀镍试样表面，进行表面合金化处理，在钛基体上制成钛镍合金层。本发明的有益效果：对纯钛金属进行合金化处理能够赋予其优异的耐磨性能并有效地改善基体的耐腐蚀性能，该合金层与钛金属基体有良好的结合力。采用电镀的方式在纯钛表面覆上镍层，具有易于实施，经济适用的优点。采用强流脉冲电子束辐射轰击合金化，处理过程中，具有操作简单，避免空气污染，提高合金层纯度的优点。<b />

Description

一种采用电子束合成钛镍合金层的方法

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域。本发明涉及钛基材料表面合金化改性方法。该方法是通过采用电镀镀镍和强流脉冲电子束辐射轰击的方法在纯钛金属基体表面形成高韧性、高耐磨和耐腐蚀性的合金层。

背景技术

钛在地球中分布范围很广，含量占金属世界第七位。我国目前钛资源储量已达到10亿吨，居世界首位。钛的应用范围很广，在航空航天、汽车、生物医学等各个工业领域具有广阔的应用前景。但纯钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，因此耐腐蚀是纯钛金属亟待解决的问题之一。为了提高纯钛金属的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要，开发出钛-钼、钛-钯、钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛-32钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金，均获得了较好的耐腐蚀效果。

由于钛的化学活性大，所以钛及钛合金易与摩擦表面发生粘附现象，对胶合和冷焊具有高度的敏感性。通常情况下，钛材料的表面较易生成一层由氮化物和氧化物组成的钝化膜，虽然在一定程度上可以使钛在氧化性、中性和弱还原性等介质环境下，得到一定程度的保护，但其对表面的保护作用很低，不足以提供较好的耐磨性能，加上钛及钛合金的塑性剪切抗力和加工硬化率也普遍较低，这都是导致其表面耐磨性能差的原因。所以提高纯钛的耐腐蚀性能、改善其耐磨性意义重大。

钛镍合金作为一种性能优异的钛合金，具有优良的耐磨性能、抗腐蚀、高阻尼及超弹性等优点。美国NASA-Glenn研究中心对轴承用耐磨NiTi合金的研究表明，NiTi合金经合适处理和加工后，可获得高硬度、良好的稳定性与摩擦学性能、优异的耐蚀性，是具有广阔应用前景的高性能轴承用新型材料。

众所周知，表面工程技术是节约资源、降低成本、提高材料性能的一种重要方法，并且是改善材料表面磨损、氧化、腐蚀等问题行之有效的方法之一。目前对纯钛基体改性，使表面覆上一层钛镍合金层的方法很多，研究较多的有：热喷涂、离子注入、表面氧化处理、薄膜技术、激光表面合金化等。这些方法在一定程度上改善了纯钛金属的耐腐蚀性，耐磨性，但同时也存在着操作环境差、工艺复杂、合金层较薄、表面粗糙和基体结合差等缺点。

强流脉冲电子束表面改性技术是近年来发展起来的一种高效清洁技术，它与传统的表面处理工艺相比有其自身的特点和优势。材料宏观变形小：强流脉冲电子束材料表面改性技术是对固体材料表面的局部区域进行快速升温和降温处理，整个零件没有进入高温状态，相对于材料整体来说输入能量少，几乎不会产生宏观变形，处理的材料越大越是如此。由于可以大大减少研磨余量，强流脉冲电子束处理特别合适于精密加工后的零件；能量转换的效率高：强流脉冲电子束表面处理的局部能量密度很高，入射电子的能量90%以上转化热能，很小一部分被背散射电子带走；清洁：强流脉冲电子束处理是在真空室中进行，没有空气等带来的有害影响，表面处理层非常清洁。此外，处理过程中不需要其他媒介，不会对处理的材料和操作环境造成污染；可控制性强：强流脉冲电子束的能量密度，加速电压，脉宽以及处理材料表面的位置都可以调节，由此可以精确的控制处理层的深度；经济效益高：利用强流脉冲电子束表面改性技术可以简化工序，减少周转时间，以及减少使用贵重金属。

尽管有学者采用不同的表面处理技术提高钛的耐磨和耐腐蚀性能，然而，迄今为止，没有人采用电镀技术和强流脉冲电子束辐射轰击处理相结合的方法制备钛镍合金的研究。

发明内容:

本发明的目的在于提供一种在纯钛金属表面制备一层耐磨性、耐腐蚀好防护层的制备方法，该方法采用在纯钛金属表面电镀镍和强流电子束辐射轰击方法相结合获得钛镍合金层。此合金层可以提高钛的表面性能。

一种采用电子束合成钛镍合金层的方法，包括如下工艺步骤：

（1）纯钛基体面预处理：将直径30mm的纯钛基体依次经过打磨至表面光亮平整、脱脂、清洗、烘干，以去除表面杂质、油脂和水；

（2）将预处理后的钛基体放入配制好的电镀液中，在电流密度为3 A/dm²，电镀温度45℃条件下进行电镀镍处理，在钛基体表面获得的镀层厚度为4~8μm。

（3）将带有镀层的经清洗，烘干后获得基体钛基镀镍试样，放入强流脉冲电子束仪器的真空样品室内；

（4）启动强流脉冲电子束仪器，抽真空至真空度小于3×10^-2Pa后，采用强流脉冲电子束辐照轰击钛基镀镍试样表面，进行表面合金化处理；处理参数为：加速电压10-15kV，电流80-150A，脉冲间隔1-60秒，脉冲次数为10-50次，在钛基体上制成钛镍合金层。

所述的电镀液的成分为：硫酸镍50g/L、硼酸10g/L、十二烷基硫酸钠3mg/L。

所述的钛镍合金层的成分为Ti₂Ni合金。

所述的抽真空采用的设备为涡轮分子泵。

本发明的有益效果：

（1）对纯钛金属进行合金化处理能够赋予其优异的耐磨性能并有效地改善基体的耐腐蚀性能，该合金层与钛金属基体有良好的结合力。

（2）采用电镀的方式在纯钛表面覆上镍层，具有易于实施，经济适用的优点。

（3）采用强流脉冲电子束辐射轰击合金化，处理过程中，具有操作简单，避免空气污染，提高合金层纯度的优点。

附图说明

图1为实施例1电子束辐射形成的钛镍合金层XRD谱图；

图2为实施例2电子束辐射形成的钛镍合金层XRD谱图；

图3为实施例3电子束辐射形成的钛镍合金层XRD谱图。

具体实施方案

本发明在钛基材料表面电镀镍后，采用强流脉冲电子束辐射轰击制备镍钛合金层的方法，下面结合实例对本发明做进一步详细说明。具体实施步骤如下：

实施例1：

一种采用电子束合成钛镍合金层的方法，包括如下工艺步骤：

1、将直径30mm的纯钛基体先用600#水砂纸粗磨表面，再用1200#水砂纸细磨，直至钛片表面平整光亮后，放入脱脂液中，脱脂处理后用清水清洗。

2、将脱脂处理后的钛基体放入配制好的电镀液中，进行镀镍处理，镍镀层的厚度为4μm，电镀液的成分为：硫酸镍50g/L、硼酸10g/L、十二烷基硫酸钠3mg/L。

3、将钛基镀镍试样用清水反复清洗镍层；将表面不含电镀液的镀镍钛烘干；将表面干净的钛基镀镍试样放入强流脉冲电子束真空样品室内。

4、启动强流脉冲电子束仪器，涡轮分子泵抽真空至真空度至2.5×10^-2Pa，采用强流脉冲电子束辐照轰击镀镍钛表面，进行表面合金化处理；处理参数为：加速电压10 kV，电流150A，脉冲间隔30秒，脉冲次数为40次，在纯钛基体上制成钛镍合金层。

按照实施案例1制备的钛镍合金层XRD谱图如图1所示。XRD谱图表明合成了Ti₂Ni合金。按照实施案例1制备的钛镍合金层在在负载5N，转速10r/min，摩擦副为小止推圈，试验时间为10min条件下，测得合金层表面干基摩擦系数为0.31，远低于纯钛0.53。使用聚四氟乙烯将试样封闭，暴露部分为边长10mm的正方形形状，应用电化学工作站，采用饱和甘汞和铂三电极体系，测试纯钛及按照实施例1制备的钛合金耐腐蚀性能，腐蚀液体为按照ISO/TR10271制备的人工唾液，腐蚀时间为24小时，扫描速度为5mV/s，测得制备的钛合金表面腐蚀电位为-0.156V，而纯钛的腐蚀电位为-0.327V，说明合金化后，耐腐蚀性增强。

实施例2：

一种采用电子束合成钛镍合金层的方法，包括如下工艺步骤：

1、将直径30mm的纯钛基体先用600#水砂纸粗磨表面，再用1200#水砂纸细磨，直至钛片表面平整光亮后，放入脱脂液中，脱脂处理后用清水清洗。

2、将脱脂处理后的钛基体放入配制好的电镀镍液中，进行镀镍处理，制备镀镍钛，镍镀层的厚度为8μm，电镀液的成分为：硫酸镍50g/L、硼酸10g/L、十二烷基硫酸钠3mg/L。

3、将钛基镀镍试样用清水反复清洗镍层；将表面不含电镀液的镀镍钛烘干；将表面干净的钛基镀镍试样放入强流脉冲电子束真空样品室内。

4、启动强流脉冲电子束仪器，涡轮分子泵抽真空至真空度至2.0×10^-2Pa，采用强流脉冲电子束辐照轰击镀镍钛表面，进行表面合金化处理；处理参数为：加速电压15 kV，电流80A，脉冲间隔50秒，脉冲次数为10次，在纯钛基体上制成钛镍合金层。

按照实施案例2制备的钛镍合金层XRD谱图如图2所示。XRD谱图表明合成了Ti₂Ni合金。按照实施案例2制备的钛镍合金层在在负载5N，转速10r/min，摩擦副为小止推圈，试验时间为10min条件下，测得合金层表面干基摩擦系数为0.29，远低于纯钛0.53。使用聚四氟乙烯将试样封闭，暴露部分为边长10mm的正方形形状，应用电化学工作站，采用饱和甘汞和铂三电极体系，测试纯钛及按照实施例2制备的钛合金耐腐蚀性能，腐蚀液体为按照ISO/TR10271制备的人工唾液，腐蚀时间为24小时，扫描速度为5mV/s，测得制备的钛合金表面腐蚀电位为-0.116V，而纯钛的腐蚀电位为-0.327V，说明合金化后，耐腐蚀性增强。

实施例3：

一种采用电子束合成钛镍合金层的方法，包括如下工艺步骤：

1、将直径30mm的纯钛基体先用600#水砂纸粗磨表面，再用1200#水砂纸细磨，直至钛片表面平整光亮后，放入脱脂液中，脱脂处理后用清水清洗。

2、将脱脂处理后的钛基体放入配制好的电镀镍液中，进行镀镍处理，制备镀镍钛，镍镀层的厚度为6μm，电镀液的成分为：硫酸镍50g/L、硼酸10g/L、十二烷基硫酸钠3mg/L。

3、将钛基镀镍试样用清水反复清洗镍层；将表面不含电镀液的镀镍钛烘干；将表面干净的钛基镀镍试样放入强流脉冲电子束真空样品室内。

4、启动强流脉冲电子束仪器，涡轮分子泵抽真空至真空度至2.3×10^-2Pa，采用强流脉冲电子束辐照轰击镀镍钛表面，进行表面合金化处理；处理参数为：加速电压12 kV，电流120A，脉冲间隔35秒，脉冲次数为35次，在纯钛基体上制成钛镍合金层。

按照实施案例3制备的钛镍合金层XRD谱图如图3所示。XRD谱图表明合成了Ti₂Ni合金。按照实施案例3制备的钛镍合金层在在负载5N，转速10r/min，摩擦副为小止推圈，试验时间为10min条件下，测得合金层表面干基摩擦系数为0.25，远低于纯钛0.53。使用聚四氟乙烯将试样封闭，暴露部分为边长10mm的正方形形状，应用电化学工作站，采用饱和甘汞和铂三电极体系，测试纯钛及按照实施例3制备的钛合金耐腐蚀性能，腐蚀液体为按照ISO/TR10271制备的人工唾液，腐蚀时间为24小时，扫描速度为5mV/s，测得制备的钛合金表面腐蚀电位为-0.023V，而纯钛的腐蚀电位为-0.327V，说明合金化后，耐腐蚀性增强。

Claims (4)

1.一种采用电子束合成钛镍合金层的方法，其特征在于: 包括如下工艺步骤：

（1）纯钛基体面预处理：将直径30mm的纯钛基体依次经过打磨至表面光亮平整、脱脂、清洗、烘干，以去除表面杂质、油脂和水；

（2）将预处理后的钛基体放入配制好的电镀液中，在电流密度为3 A/dm²，电镀温度45℃条件下进行电镀镍处理，在钛基体表面获得的镀层厚度为4~8μm；

（3）将带有镀层的经清洗，烘干后获得基体钛基镀镍试样，放入强流脉冲电子束仪器的真空样品室内；

（4）启动强流脉冲电子束仪器，抽真空至真空度小于3×10^-2Pa后，采用强流脉冲电子束辐照轰击钛基镀镍试样表面，进行表面合金化处理；处理参数为：加速电压10-15kV，电流80-150A，脉冲间隔1-60秒，脉冲次数为10-50次，在钛基体上制成钛镍合金层。

2.采用权利要求1所述的采用电子束合成钛镍合金层的方法，其特征在于: 所述的电镀液的成分为：硫酸镍50g/L、硼酸10g/L、十二烷基硫酸钠3mg/L。

3.采用权利要求1所述的采用电子束合成钛镍合金层的方法，其特征在于: 所述的钛镍合金层的成分为Ti₂Ni合金。

4.采用权利要求1所述的采用电子束合成钛镍合金层的方法，其特征在于: 所述的抽真空采用的设备为涡轮分子泵。