一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈦材耐磨處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及鈦合金具有高的比強度和優(yōu)良的耐蝕性，在航空、航天、原子能等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用，通常鈦及鈦合金的表面硬度比較低，硬度一般不超過300HV?340HV，耐磨性差，使用中容易發(fā)生粘著磨損，最終導(dǎo)致鈦零件磨損失效。為了提高鈦及鈦合金零部件的表面硬度，提高其耐磨性能，目前大多采取表面合金化、表面涂層處理等多種表面處理工藝技術(shù)。其中，采用激光融覆、噴涂等方法制備硬質(zhì)耐磨層可以提高鈦及鈦合金的表面耐磨性，但由于涂層與基體之間存在界面，易起皮開裂。采用真空離子鍍在鈦合金表面沉積TiC、TiN、TiNAlN等硬質(zhì)耐磨涂層，可獲得高硬度性能的涂層，但存在膜層薄，加工成本高，零件深孔、細(xì)縫等部位難以處理的問題。
[0003]此外，科技工作者還進行了鈦及鈦合金的表面滲氧強化研究，專利CN102400086A、CN1632158A、CN1363713A公開了一些鈦及鈦合金表面滲氧強化處理方法，其主要實施方案都是將鈦及鈦合金材料包覆于Zr02、Mg0、Al203、Si02、C粉等粉末介質(zhì)中，在大氣氣氛普通空氣加熱爐中加熱保溫，在鈦合金試件表面形成氧固溶硬化層。其本質(zhì)屬于高溫氣體滲氧，包覆的粉末介質(zhì)延緩了鈦合金表面脆性氧化皮的生成。從膜層結(jié)構(gòu)來看，由于鈦及鈦合金大氣滲氧層表面疏松，質(zhì)地硬、脆，因此增厚的氧化層需要進行后續(xù)表面精加工處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法。該方法工藝簡單，所制涂層具有良好的硬度與韌性，能夠與鈦或鈦合金基體能夠?qū)崿F(xiàn)良好的匹配。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法，其特征在于，該方法為:首先采用陽極氧化的方法在鈦基體或鈦合金基體表面制備二氧化鈦預(yù)氧化層，然后采用真空熱處理的方法使二氧化鈦預(yù)氧化層中的氧元素向鈦基體或鈦合金基體內(nèi)擴散，最終在鈦基體或鈦合金基體表面得到滲氧硬化涂層；所述滲氧硬化涂層的深度為10 μ m?100 μ m，硬度為700HV?900HV。
[0006]上述的一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法，其特征在于，所述陽極氧化的電解液由硫酸、雙氧水和去離子水混合均勻而成，所述電解液中H2SOj^濃度為20g/L ?50g/L，H2O2的濃度為 5mL/L ?10mL/L。
[0007]上述的一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法，其特征在于，所述陽極氧化的電流密度為lA/dm2?5A/dm2;所述陽極氧化的電壓為60V?100V，所述陽極氧化的時間為 1min ?30min。
[0008]上述的一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法，其特征在于，所述低真空熱處理的具體過程為:將表面制備有二氧化鈦預(yù)氧化層的鈦基體或鈦合金基體置于真空加熱爐，在真空度為IPa?800Pa，溫度為700°C?850°C的條件下保溫Ih?5h。
[0009]上述的一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法，其特征在于，所述鈦基體和鈦合金基體的表面粗糙度Ra均不大于3.2 μ m。
[0010]上述的一種鈦及鈦合金表面滲氧硬化涂層的制備方法，其特征在于，所述鈦基體的牌號為TA1、TA2或TA3，所述鈦合金基體的牌號為TC4、TC6或TClI。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0012]1、本發(fā)明首先采用陽極氧化技術(shù)在基體表面制備1102預(yù)氧化層，之后采取低真空熱擴散的方法，使得T12預(yù)氧化層中的氧原子向基體內(nèi)擴散，在基體表面形成滲氧硬化涂層，從而達(dá)到零件表面硬化耐磨的作用。
[0013]2、本發(fā)明制備的滲氧硬化涂層具有良好的硬度與韌性，與鈦或鈦合金基體能夠?qū)崿F(xiàn)良好的匹配，滲氧硬化層的深度達(dá)10 μπι?100 μm，平均顯微硬度達(dá)700HV?900HV。
[0014]3、經(jīng)本發(fā)明處理后的鈦或鈦合金工件表面光潔，尺寸精度好。
[0015]4、本發(fā)明工藝方法簡單，可處理具有深孔、狹縫等復(fù)雜形狀的鈦及鈦合金零件。
[0016]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
[0018]本實施例在TA2鈦基體表面制備滲氧硬化涂層，本實施例滲氧硬化涂層的制備方法包括以下步驟:
[0019]步驟一、對TA2鈦基體進行機械拋光和除油清洗處理，使表面粗糙度Ra不大于3.2 μ m，然后對TA2鈦基體進行陽極氧化處理，具體過程為:采用TA2鈦基體為陽極，采用不銹鋼為陰極，采用由硫酸、雙氧水和去離子水混合均勻而成的溶液為電解液，且電解液中比504的濃度為20g/L，H2O2的濃度為5mL/L，加直流電，控制電流密度為lA/dm2，加壓至60V后恒壓反應(yīng)lOmin，經(jīng)檢測，在TA2鈦基體表面得到二氧化鈦預(yù)氧化層；
[0020]步驟二、對步驟一中所述表面制備有二氧化鈦預(yù)氧化層的TA2鈦基體進行真空熱處理，具體過程為:將表面制備有二氧化鈦預(yù)氧化層的TA2鈦基體置于真空加熱爐，在真空度為IPa，溫度為700°C的條件下保溫lh，使二氧化鈦預(yù)氧化層中的氧元素向TA2鈦基體內(nèi)擴散，最終在TA2鈦基體表面得到滲氧硬化涂層。
[0021]采用HV、HK雙壓頭自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(型號:HXD-1000TMSC/IXD，廠家:上海泰明)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1-1999 “金屬材料維氏硬度試驗”規(guī)范要求對本實施例制備的滲氧硬化涂層進行測試，測得本實施例所制涂層的平均顯微硬度為710HV，通過測量涂層金相端面硬度梯度變化，測得本實施例所制滲氧硬化涂層的深度為10 μ m。
[0022]實施例2
[0023]本實施例在TC4鈦合金基體表面制備滲氧硬化涂層，本實施例滲氧硬化涂層的制備方法包括以下步驟:
[0024]步驟一、對TC4鈦合金基體進行機械拋光和除油清洗處理，使表面粗糙度Ra不大于3.2 μ m，然后對TC4鈦合金基體進行陽極氧化處理，具體過程為:采用TC4鈦合金基體為陽極，采用不銹鋼為陰極，采用由硫酸、雙氧水和去離子水混合均勻而成的溶液為電解液，且電解液中比504的濃度為50g/L，H202的濃度為10mL/L，加直流電，控制電流密度為3A/dm2，加壓至10V后恒壓反應(yīng)30min，經(jīng)檢測，在TC4鈦合金基體表面得到二氧化鈦預(yù)氧化層；
[0025]步驟二、對步驟一中所述表面制備有二氧化鈦預(yù)氧化層的TC4鈦合金基體進行真空熱處理，具體過程為:將表面制備有二氧化鈦預(yù)氧化層的TC4鈦合金基體置于真空加熱爐，在真空度為250Pa，溫度為800 °C的條件下保溫3h，使二氧化鈦預(yù)氧化層中的氧元素向TC4鈦合金基體內(nèi)擴散，最終在TC4鈦合金基體表面得到滲氧硬化涂層。
[0026]采用HV、HK雙壓頭自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(型號:HXD-1000TMSC/IXD，廠家:上海泰明)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1-1999 “金屬材料維氏硬度試驗”規(guī)范要求對本實施例制備的滲氧硬化涂層進行測試，測得本實施例所制涂層的平均顯微硬度為820HV，通過測量涂層金相端面硬度梯度變化，測得本實施例所制滲氧硬化涂層的深度為50 μ m。
[0027]實施例3
[0028]本實施例在TC6鈦合金基體表面制備滲氧硬化涂層，本實施例滲氧硬化涂層的制備方法包括以下步驟:
[0029]步驟一、對TC6鈦合金基體進行機械拋光和除油清洗處理，使表面粗糙度Ra不大于3.2 μ m，然后對TC6鈦合金基體進行陽極氧化處理，具體過程為:采用TC6鈦合金基體為陽極，采用不銹鋼為陰極，采用由硫酸、雙氧水和去離子水混合均勻而成的溶液為電解液，且電解液中比504的濃度為40g/L，H2O2的濃度為10mL/L，加直流電，控制電流密度為5A/dm2，加壓至100V后恒壓反應(yīng)30min，經(jīng)檢測，在TC6鈦合金基體表面得到二氧化鈦預(yù)氧化層；
[0030]步驟二、對步驟