CN109371444A - 用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法 - Google Patents

用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钛合金表面处理技术领域，尤其是用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法。包括以下步骤：a.将电解液的各组分按比例混合后搅拌均匀，电解液各组分的重量百分比为：甲酰胺5‑15％、乙酰胺5‑15％、甘油20‑40％、纳米石墨粉1‑5％、氯化钠5‑10％及去离子水10‑65％；b.将待处理的钛合金进行表面清洗和预处理；c.阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积处理。本发明处理后的复合膜层，表面硬度可以达到钛基体的3倍以上。同时，该电解液和工艺适合纯钛及各种牌号的钛合金。

Description

用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层 的方法
技术领域
本发明涉及钛合金表面处理技术领域，尤其是用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法。
背景技术
目前钛合金阳极等离子体电解氧化(PEO)又称作微弧氧化技术(MAO)技术已经日趋成熟，在含有铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐中的一种或多种的电解液中，钛及钛合金阳极表面可制备厚度为十几到几十微米的陶瓷膜，其组织成分及膜层性能已有***研究。研究表明，在钛合金表面制备阳极等离子体电解氧化膜可以有效降低钛合金表面摩擦系数及磨损率并提高材料表面的耐磨性；Yerokhin等人的研究表明，此种膜层可以有效提高钛合金的耐腐蚀性能；Usta等人证明钛合金表面氧化膜具有很好的生物兼容性；另外，PEO氧化膜可以有效提高钛合金抗高温摩擦磨损性能。目前，国内外研究者***地研究了钛合金表面阳极PEO氧化膜的组织结构、摩擦磨损性能、耐蚀性能、催化性能、生物兼容性及抗高温热震和抗高温氧化性能。结果表明，等离子电解氧化处理可以有效提高钛及钛合金的综合性能，是一种有前景的钛及钛合金表面改性方法。
然而传统的等离子体电解氧化是将钛及钛合金工件置于阳极的位置，并在其表面生长出钛氧化物为主的陶瓷膜层，氧化时间从十几分钟到一个小时不等，厚度一般不超过30μm。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有的制备方法的制成品寿命较短且强度不高的不足，本发明提供了一种用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法，通过特定的电解液中对其进行快速阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积处理，形成下层为渗碳层、上层为包含类金刚石的氧化层的复合膜层，表面硬度可以达到钛基体的3倍以上。同时，该电解液和工艺适合纯钛及各种牌号的钛合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法，包括以下步骤：
a.将电解液的各组分按比例混合后搅拌均匀，电解液各组分的重量百分比为：甲酰胺5-15％、乙酰胺5-15％、甘油20-40％、纳米石墨粉1-5％、氯化钠5-10％及去离子水10-65％；
b.将待处理的钛合金进行表面清洗和预处理；
c.阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积处理，将钛合金完全浸泡在电解液的电解槽中，电解液作为阴极，石墨板作为阳极，阴极处理工作电压为140V–460V，处理时间为1min–10min。
具体地，步骤a中，所述搅拌方式为超声波搅拌。
具体地，步骤b中，所述清洗和预处理方法为：用360#-1200#砂纸对钛合金表面进行打磨，并用丙酮去除钛合金表面的杂质。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法，通过特定的电解液中对其进行快速阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积处理，形成下层为渗碳层、上层为包含类金刚石的氧化层的复合膜层，表面硬度可以达到钛基体的3倍以上。同时，该电解液和工艺适合纯钛及各种牌号的钛合金。
具体实施方式
步骤一、将电解液的各组分混合后，用超声波搅拌搅拌均匀；电解液水溶液或悬浊液各组分按重量百分比计算：甲酰胺5-15％、乙酰胺5-15％、甘油20-40％、纳米石墨粉1-5％、氯化钠5-10％及去离子水10-65％。
步骤二、对待处理的钛合金材料进行预处理：用360#，600#，800#和1200#砂纸对钛基合金表面进行打磨。
步骤三、阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积处理，过程如下：
将钛基合金材料完全浸泡在盛装有步骤一得到的电解液的电解槽中并作为阴极，溶液中石墨为阳极，采用自制的阴极微弧氧化设备进行复合处理，其间样品表面会有极明亮的由等离子体微弧气膜发出的白光，在此情况下保持处理的时间即可。所述的阴极微弧氧化电源电压为140V–460V，处理时间为1min–10min；使用上述溶液对钛合金进行阴极快速渗碳/氧化/类金刚石沉积处理后，可得均匀致密的，由致密层和疏松层构成的多层结构复合膜，厚度可达到15-110μm。本发明具有实质性特点和显著进步。首先，本发明开发研究的电解液溶质来源广泛，成本低；而且本发明工件作为阴极，不同于阳极等离子体氧化时工件作为阳极，其在原理上有显著区别；另外，本发明所述之工艺下，膜层生长速度快，效率高；最后通过本发明的方法工艺所得到的复合膜层膜与钛合金基体结合强度高，均匀且致密性好，具有很高硬度和耐磨耐蚀性，从而延长了钛合金的使用寿命。
实施例1
本例中，被处理的材料是TC4钛合金。首先对待处理的材料进行预处理，用360#，600#，800#和1200#砂纸对TC4钛合金试样表面进行打磨并去除表面的油污。
配置阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积电解液：所述的电解液为：甲酰胺：7％、乙酰胺：7％、甘油40％、纳米石墨粉1％、氯化钠15％、去离子水30％。
配置好电解液后，将所需要处理的试样作为阴极并完全浸泡在盛装有所述电解液的电解槽中，石墨为阳极，采用资质的阴极微弧氧化设备进行渗碳/氧化/类金刚石沉积复合处理，所述的阴极微弧氧化处理中电源电压为220V，处理时间为5min。
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀的渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜的钛合金工件，记为S1。
实施例2
与实施例1相同的方法对TC4钛合金试样表面进行预处理，配置电解液对其进行快速渗碳/氧化/类金刚石沉积处理。所述电解液中物质质量分数分别为：甲酰胺：10％、乙酰胺：10％、甘油20％、纳米石墨粉2％、氯化钠8％、去离子水50％。在阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积过程中，所述电压为320V，处理时间为5min。
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀的复合膜层的TC4钛合金工件，记为S2。
实施例3
与实施例1相同的方法对TC4钛合金试样表面进行预处理，配置电解液对其进行快速渗碳/氧化/类金刚石沉积处理。所述电解液中物质质量分数分别为：甲酰胺：12％、乙酰胺：12％、甘油30％、纳米石墨粉1％、氯化钠5％、去离子水40％。在阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积过程中，所述电压为400V，处理时间为5min。
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀的复合膜层的TC4钛合金工件，记为S3。
实施例4
与实施例1相同的方法对TC4(Ti6Al4V)钛合金试样表面进行预处理，配置电解液对其进行快速渗碳/氧化/类金刚石沉积处理。所述电解液中物质质量分数分别为：甲酰胺：15％、乙酰胺：15％、甘油25％、纳米石墨粉5％、氯化钠10％、去离子水30％。在阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积过程中，所述电压为400V，处理时间为5min。经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀的阴极复合膜层的纯钛工件，记为S4。
实施例5
对实施例1制得的TC4钛合金工件S1进行如下的性能测试，测试结果如表1所示。
(1)渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层厚度测量
切割S1样品并用胶木粉镶样，打磨抛光后，使用型号为Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察膜层截面形貌，并测量微弧氧化膜的厚度，取五个点平均值作为膜层的厚度值。
(2)硬度
使用HX-1000TM维氏显微硬度计测量S1试样截面致密层五点的硬度，取平均值得到渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的硬度。
(3)摩擦系数
用砂纸将表面疏松层打磨掉，使用HT-1000摩擦磨损试验机对S1样品进行常温下的摩擦磨损实验，选择直径5mm的ZrO2球为摩擦副，并设定球的转速为每秒300转，磨痕直径d为8mm，载荷G为500g，摩擦持续时间t为10min，最后得到S1样品的摩擦系数，该系数为平均值.
(4)磨损率
利用北京时代TR200粗糙度测量仪测量上述(3)中得到的S1样品磨痕的宽度，深度和截面积S，由公式：v＝S/(300tG)计算出磨损速率v。
(5)腐蚀电阻
使用美国Princeton Applied Research公司生产的PARSTAT 2273电化学工作站在浓度为3.5wt.％NaCl的水溶液中测量渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层样品的动电位极化曲线，工作电极为S1试样，辅助电极为铂丝(Pt)，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)。测试前先将样品在NaCl水溶液中浸泡30min，等开路电压稳定后再进行测试。电压V的测量精度为1mV，测量范围是±10.0V；电流测量范围是±2.0A；样品的测量面积为1cm2。动电位极化的扫描速率为1mV/s，电化学阻抗的测试频率为1MHz到0.01Hz，扰动信号是幅值为10mV的正弦波。利用CorrView软件对极化曲线的测试数据进行Tafel函数拟合处理，得到样品的腐蚀电流密度。
实施例6-8
按照实施例5的方法对实施例2、实施例3级实施例4处理得到的S2、S3、S4样品进行性能测试，结果如表1所示。
实施例9
按照实施例5的方法对未经渗碳/氧化/类金刚石沉积处理的钛合金基体进行性能测试，以便对比分析C4钛合金试样经过复合处理前后的性能差异。结果如表1所述。
表1
从表1可知，同未进行渗碳/氧化/类金刚石沉积复合处理处理的样品相比，采用本发明的电解液及工艺方法对TC4钛合金表面进行处理后，材料的表面硬度升高到原来的四倍以上，摩擦系数和磨损率大幅度降低，腐蚀电流降低了两个数量级。因此，本发明的电解液及阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积复合处理工艺可以大幅度提高钛基合金的抗摩擦磨损性能及耐腐蚀性能，从而可以延长钛基合金材料的使用寿命。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.将电解液的各组分按比例混合后搅拌均匀，电解液各组分的重量百分比为：甲酰胺5-15％、乙酰胺5-15％、甘油20-40％、纳米石墨粉1-5％、氯化钠5-10％及去离子水10-65％；
b.将待处理的钛合金进行表面清洗和预处理；
c.阴极渗碳/氧化/类金刚石沉积处理，将钛合金完全浸泡在电解液的电解槽中，电解液作为阴极，石墨板作为阳极，阴极处理工作电压为140V–460V，处理时间为1min–10min。
2.根据权利要求1所述的用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法，其特征在于：步骤a中，所述搅拌方式为超声波搅拌。
3.根据权利要求1所述的用于钛合金表面快速制备渗碳/氧化/类金刚石沉积复合膜层的方法，其特征在于：步骤b中，所述清洗和预处理方法为：用360#-1200#砂纸对钛合金表面进行打磨，并用丙酮去除钛合金表面的杂质。
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