專利名稱：一種用電火花結(jié)合離子束增強(qiáng)沉積復(fù)合改性鈦合金表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金表面改性方法，特別是用電火花表面強(qiáng)化結(jié)合離子束增強(qiáng)沉積對鈦合金表面改性的方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、航海、化工、冶金和核工業(yè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，但在某些用途中，因其硬度低、摩擦系數(shù)大，導(dǎo)致耐磨性較差，因磨損而引起零、部件的早期失效，嚴(yán)重影響了鈦合金的安全使用，并限制了它的應(yīng)用范圍。為此，除合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇摩擦副和保持良好的潤滑條件外，以提高鈦合金表面硬度為目的的表面改性技術(shù)，被認(rèn)為是提高鈦合金的耐磨性和抗微動(dòng)損傷性能最有效、最可行的方法。
電火花表面強(qiáng)化是利用電極材料和被強(qiáng)化金屬材料間的高能局部脈沖放電，使電極材料快速熔化并遷移到工件表面，通過電極材料和被強(qiáng)化金屬材料在局部高溫下的物理化學(xué)冶金過程，使工件表面重新合金化，形成表面強(qiáng)化層。
專利號為CN03133313.3的中國專利”介紹了一種用石墨電極對鈦合金材料表面電火花放電強(qiáng)化處理的方法。該方法是利用硬度小于HS30、電阻率10～25Ωm、不含其它金屬雜質(zhì)、石墨化程度大于50％的石墨材料作正電極，將被處理的鈦合金材料接在脈沖電源的負(fù)極上，通過脈沖放電強(qiáng)化鈦合金材料表面。其工藝參數(shù)為電壓50～150V，電流1～5A，放電時(shí)間50～200s/cm2，放電頻率大于2000Hz，電極震動(dòng)頻率50～100Hz。
該方法雖然能夠減小火花放電的燒傷，因此表面粗糙度有一定改善，但是表面粗糙度依然很高，達(dá)不到零件表面粗糙度的要求。此外，盡管利用這一方法能夠?qū)崿F(xiàn)C離子與Ti離子的金相重組，但是僅僅能夠形成耐磨的硬質(zhì)相。因此，該方法可提高鈦合金的表面硬度和耐磨性，但不能在提高表面硬度同時(shí)減小摩擦系數(shù)，表面粗糙度依然很高，發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)粗糙度高、表面摩擦系數(shù)高、表面功能單一的不足，本發(fā)明提供一種用電火花結(jié)合離子束增強(qiáng)沉積復(fù)合改性鈦合金表面的方法，可以在提高表面硬度同時(shí)減小摩擦系數(shù)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種用電火花結(jié)合離子束增強(qiáng)沉積復(fù)合改性鈦合金表面的方法，其特征在于，包括下述步驟1)用有機(jī)溶劑在超聲波作用下進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為5～10min；
2)將經(jīng)過時(shí)效處理后的鈦合金用電火花表面強(qiáng)化器強(qiáng)化處理，處理過程Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為8L/min；電極材料為硅青銅或者YG-8型硬質(zhì)合金；3)用離子束增強(qiáng)沉積磁控濺射和多弧設(shè)備，在經(jīng)過電火花強(qiáng)化處理過的鈦合金表面用氬離子轟擊清洗8～12min，沉積過程中也要用氬離子不斷轟擊已沉積的膜層，沉積用靶材為硅青銅。
本發(fā)明的有益效果是，由于采用了電火花表面強(qiáng)化與離子束沉積結(jié)合方法，先在鈦合金表面電火花處理形成硬度和耐磨性高的底層或承力骨架層，然后在承力骨架層上利用離子束沉積形成具有減摩潤滑效果的膜層，以達(dá)到既提高鈦合金材料的表面硬度，又改善摩擦系數(shù)和粗糙度的目的，使得鈦合金表面抗摩擦磨損得到提高。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1(a)是經(jīng)硅青銅作為正電極瞬態(tài)電能強(qiáng)化與硅青銅離子束沉積結(jié)合處理過的Ti17鈦合金剖面組織顯微照片。
圖1(b)是經(jīng)硬質(zhì)合金YG-8作為正電極瞬態(tài)電能強(qiáng)化與硅青銅離子束沉積結(jié)合處理過的Ti17鈦合金剖面組織顯微照片。
圖2是瞬態(tài)電能強(qiáng)化與離子束沉積復(fù)合強(qiáng)化層硬度與深度的關(guān)系曲線，其中(a)為硅青銅作為正電極瞬態(tài)電能強(qiáng)化與硅青銅離子束沉積復(fù)合強(qiáng)化層硬度與深度的關(guān)系曲線，(b)為硬質(zhì)合金YG-8作為正電極瞬態(tài)電能強(qiáng)化與硅青銅離子束沉積復(fù)合強(qiáng)化層硬度與深度的關(guān)系曲線。
圖中，1-鈦合金基體 2-瞬態(tài)電能強(qiáng)化層 3-離子束沉積層具體實(shí)施方式
實(shí)施例1首先對鈦合金表面進(jìn)行充分的清潔處理，用丙酮在超聲波作用下進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為5min，根據(jù)零件大小選用超聲波清洗機(jī)的大小，只要能夠保證表面污染物的去處即可。清潔處理是保證電火花沉積過程中電極材料與鈦合金基體形成可靠冶金結(jié)合重要步驟，表面污染物的存在將影響電極材料與基體金屬之間的冶金反應(yīng)和擴(kuò)散，不僅影響沉積層自身的質(zhì)量，而且降低沉積層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，造成脫落。
電火花瞬態(tài)電能。將經(jīng)過時(shí)效處理后的Ti17鈦合金用電火花表面強(qiáng)化器強(qiáng)化處理。處理過程Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為8L/min；電極材料牌號為QSi3-1硅青銅、截面尺寸為3×3mm；脈沖電源和電極振動(dòng)頻率為50Hz，單脈沖放電電容電壓60V，電容容量180μF；強(qiáng)化時(shí)間為0.2min/cm2。
離子束增強(qiáng)沉積。采用PIEMAD-03型離子束增強(qiáng)沉積磁控濺射和多弧設(shè)備，在經(jīng)過電火花強(qiáng)化處理過的Ti17鈦合金用氬離子轟擊清洗8～12min，沉積過程中也要用氬離子不斷轟擊已沉積的膜層，以達(dá)到活化沉積表面，提高膜層結(jié)合強(qiáng)度，控制參數(shù)為偏壓負(fù)400V，Ar分壓5.4×10-1Pa，平面離子源電壓418V。沉積用靶材為QSi3-1硅青銅，沉積過程中的控制參數(shù)為磁控靶偏壓負(fù)665V、電流1A，沉積時(shí)間為90min。
如圖1(a)所示，經(jīng)過強(qiáng)化處理后，在Ti17鈦合金表面形成與基體呈冶金結(jié)合的、表面粗糙度較高的硅青銅瞬態(tài)電能強(qiáng)化層2，厚度為10μm，可起到耐磨和支撐作用；經(jīng)過離子束增強(qiáng)沉積，在Ti17鈦合金表面電火花沉積強(qiáng)化層表面就有一層自潤滑作用的1～2μm厚硅青銅軟質(zhì)涂層3。
處理后的復(fù)合改性層表面硬度約為530Hv，Ti17鈦合金的硬度約為350Hv，可見硬度顯著增加。Ti17的摩擦系數(shù)約為0.5左右；復(fù)合改性后的摩擦系數(shù)約為0.25，摩擦系數(shù)顯著減小。Ti17鈦合金這樣處理后的抗滑動(dòng)磨損提高三十倍，25～500℃熱疲勞后，沒有剝落現(xiàn)象，復(fù)合強(qiáng)化對Ti17的熱疲勞性能影響很小。
實(shí)施例2首先對鈦合金表面進(jìn)行充分的清潔處理，用乙醇在超聲波作用下進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為10min。清潔處理是保證電火花沉積過程中電極材料與鈦合金基體形成可靠冶金結(jié)合重要步驟，表面污染物的存在將影響電極材料與基體金屬之間的冶金反應(yīng)和擴(kuò)散，不僅影響沉積層自身的質(zhì)量，而且降低沉積層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，造成脫落。
電火花瞬態(tài)電能。將經(jīng)過時(shí)效處理后的Ti17鈦合金用電火花表面強(qiáng)化器強(qiáng)化處理。處理過程Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為8L/min；電極材料牌號為YG-8型硬質(zhì)合金、截面尺寸為3×3mm；脈沖電源和電極振動(dòng)頻率為50Hz，單脈沖放電電容電壓60V，電容容量180μF；強(qiáng)化時(shí)間為0.2min/cm2。
離子束增強(qiáng)沉積。采用PIEMAD-03型離子束增強(qiáng)沉積磁控濺射和多弧設(shè)備，在經(jīng)過電火花強(qiáng)化處理過的Ti17鈦合金用氬離子轟擊清洗8～12min，沉積過程中也要用氬離子不斷轟擊已沉積的膜層，以達(dá)到活化沉積表面，提高膜層結(jié)合強(qiáng)度，控制參數(shù)為偏壓負(fù)400V，Ar分壓5.4×10-1Pa，平面離子源電壓418V。沉積用靶材為QSi3-1硅青銅，沉積過程中的控制參數(shù)為磁控靶偏壓負(fù)665V、電流1A，沉積時(shí)間為90min。
如圖1(b)所示，經(jīng)過強(qiáng)化處理后，在Ti17鈦合金表面形成與基體呈冶金結(jié)合的、表面粗糙度較高的硬質(zhì)合金瞬態(tài)電能強(qiáng)化層2，厚度為10μm，可起到耐磨和支撐作用；經(jīng)過離子束增強(qiáng)沉積，在Ti17鈦合金表面電火花沉積強(qiáng)化層表面就有一層自潤滑作用的1～2μm厚硅青銅軟質(zhì)涂層3。
另外，還對TC4、TC11、Ti153鈦合金進(jìn)行了表面強(qiáng)化，方法同上述實(shí)施例。
經(jīng)過本發(fā)明對鈦合金表面的復(fù)合強(qiáng)化，一方面，軟質(zhì)涂層可部分封填電火花表面強(qiáng)化中的凹凸不平，改善了粗糙度，另一方面，表面形成具有自潤滑效果的軟質(zhì)層，在磨損過程中可起到降低摩擦系數(shù)、減小磨損的作用。利用該方法在鈦合金表面形成復(fù)合改性層，軟硬適中，由于其既有硬質(zhì)的強(qiáng)化層起到耐磨和支撐作用，也有軟質(zhì)涂層起到降低摩擦系數(shù)、減小磨損的作用，提高了鈦合金表面的耐磨性。
權(quán)利要求
1.一種用電火花結(jié)合離子束增強(qiáng)沉積復(fù)合改性鈦合金表面的方法，其特征在于，包括下述步驟1)用有機(jī)溶劑在超聲波作用下進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為5～10min；2)將經(jīng)過時(shí)效處理后的鈦合金用電火花表面強(qiáng)化器強(qiáng)化處理，處理過程Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為8L/min；電極材料為硅青銅或者YG-8型硬質(zhì)合金；3)用離子束增強(qiáng)沉積磁控濺射和多弧設(shè)備，在經(jīng)過電火花強(qiáng)化處理過的鈦合金表面用氬離子轟擊清洗8～12min，沉積過程中也要用氬離子不斷轟擊已沉積的膜層，沉積用靶材為硅青銅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用電火花結(jié)合離子束增強(qiáng)沉積復(fù)合改性鈦合金表面的方法，包括下述步驟用有機(jī)溶劑在超聲波作用下進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為5～10min；將經(jīng)過時(shí)效處理后的鈦合金用電火花表面強(qiáng)化器強(qiáng)化處理，處理過程Ar氣保護(hù)，Ar氣流量為8L/min；電極材料為硅青銅或者YG－8型硬質(zhì)合金；用離子束增強(qiáng)沉積磁控濺射和多弧設(shè)備，在經(jīng)過電火花強(qiáng)化處理過的鈦合金表面用氬離子轟擊清洗8～12min，沉積過程中也要用氬離子不斷轟擊已沉積的膜層，沉積用靶材為硅青銅。由于采用了電火花表面強(qiáng)化與離子束沉積結(jié)合方法，先在鈦合金表面電火花處理形成硬度和耐磨性高的底層，然后在底層上利用離子束沉積形成具有減摩潤滑效果的膜層，可以在提高表面硬度同時(shí)減小摩擦系數(shù)。
文檔編號C21D1/06GK1851058SQ200610042880
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者喬生儒, 劉道新, 李平, 王少鵬, 張麗麗, 張程煜, 韓棟 申請人:西北工業(yè)大學(xué)