[發明專利]一種提高鈦合金耐磨性能的等離子放電耦合改性方法

有效

• 申請號: 201910083404.4
• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109609906B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 奧妮;劉道新;張曉化;劉成松
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C23C14/16
• 分類號: C23C14/16;C25D11/26
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種提高鈦合金耐磨性能的等離子放電耦合改性方法，利用等離子滲金屬技術，在鈦合金表層滲一層厚度約25微米的鈦鋯共滲層；利用微弧氧化技術，將這層鈦鋯共滲層部分微弧氧化，微弧氧化的厚度范圍為8～20微米；最后獲得以氧化鈦和氧化鋯為主的微弧氧化膜層。本發明的優點是：該方法制備的以氧化鈦和氧化鋯為主的微弧氧化膜層，氧化鈦和氧化鋯相互融合，沒有明顯界面，高硬度氧化鋯的存在明顯提高了氧化鈦膜層的耐磨性能，優于現有的微弧氧化工藝。

技術領域

本發明屬于金屬材料表面處理領域，具體涉及一種用等離子滲金屬技術和等離子體電解氧化技術耦合提高鈦合金耐磨性能的方法。

背景技術

鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕性能優異、高溫力學性能好、生物相容性佳等優點，廣泛應用于航空、航天、石油、化工、醫用材料等眾多領域，特別是在航空領域，鈦合金在飛機的機身、航空發動機等主體部位及小部件如緊固件的使用，大大減輕了飛機的重量，是當代飛機及發動機的主要結構材料之一。然而，鈦合金也存在硬度低、摩擦系數較高、導熱系數小，耐摩擦性能差的缺點，在摩擦工況條件下很容易發生粘著磨損、微動疲勞損傷等，由此大大限制了其應用范圍。

等離子體電解氧化是將金屬置于堿性電解液中，通過施加高電壓使金屬表面發生擊穿微弧放電，在微弧區的瞬間高溫燒結作用下使基體金屬發生氧化，在基體金屬表面形成以基體元素氧化物為主、電解液所含元素參與的陶瓷膜層。它的出現能夠較好地解決鈦合金表面處理碰到的上述問題，并在實際應用中取得了良好的效果。等離子體電解氧化技術具有操作簡單、易于實現膜層功能調節的特點，整個工藝流程簡單、電解液環保性好，不會對環境造成明顯污染，是一項新興的綠色表面處理技術。目前，等離子體電解氧化技術在汽車、機械、電氣及航空航天等行業的關鍵零部件的表面防護上得到了較為廣泛的應用，尤其在解決鈦合金表面的磨損、高溫燒蝕等問題上展示了很好的前景。

鈦合金表面進行等離子體電解氧化處理雖然能夠有效提高鈦合金的耐磨性能，然而隨著應用范圍越來越廣，對鈦合金等離子體電解氧化膜層耐磨性能的要求也越來越高，因此，需要進一步改善鈦合金等離子體電解氧化膜層的耐磨性能。為了提高膜層的耐磨性能，很多研究者通過在等離子體電解氧化電解液中添加硬質或軟質微粒來制備含微粒的等離子體電解氧化膜層從而提高膜層的硬度或者降低膜層的摩擦系數；然而，此方法對微粒在電解液中的分散性要求極高，若分散較差，反而不利于膜層耐磨性能的提高；此外，由于對微粒分散性的高要求，該方法也不利于其工業中的推廣應用。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種通過預先在鈦合金表層進行等離子放電Zr合金化，之后進行等離子體電解氧化處理從而獲得TiO2與高硬度ZrO2共存的等離子體電解氧化膜層的方法，制備得到的鈦合金等離子體電解氧化膜層顯著提高了鈦合金的耐磨性能。

技術方案

一種提高鈦合金耐磨性能的等離子放電耦合改性方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將TC4鈦合金試樣先用砂紙逐級打磨，之后進行拋光處理，然后在無水乙醇中超聲波清洗，吹干后待用；

步驟2：滲Zr時，先將試樣放入真空爐中，使其與源極Zr板間距離保持在15～20mm，然后抽真空至極限真空度，然后向爐內充氬氣，使爐內氣壓保持在20～40Pa；之后通過預濺射對試樣進行清洗，然后調節源極電壓和工件電壓，使二者源極電壓高于工件電壓300V，然后保溫3～4h；最后降溫并取出試樣；所得的鈦合金表層滲Zr的厚度為20～30μm；

步驟2：對滲Zr后的TC4試樣進行等離子體電解氧化處理：將滲Zr后的TC4試樣作為陽極，304不銹鋼槽作為陰極；等離子體電解氧化電解液組成為：Na2SiO₃ 20g/L；(NaPO₃)₆8g/L；NaOH 2g/L；電流密度：5A/dm²，氧化時間為10～30min，等離子體電解氧化處理過程中電解液溫度保持在15℃左右；