專利名稱：鈦合金表面原位生長高硬度耐磨陶瓷涂層方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高鈦和鈦合金表面硬度的方法。
背景技術(shù)：
鈦和鈦合金因其優(yōu)良的耐蝕性應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊，但是鈦及鈦合金耐磨性差，特別是對微動(dòng)磨損損傷十分敏感。為保證鈦和鈦合金滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求，針對提高鈦合金耐磨性能的表面改性技術(shù)研究成為科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。目前提高鈦合金抗微動(dòng)損傷的表面處理技術(shù)不下10種噴丸強(qiáng)化、傳統(tǒng)陽極氧化、激光氮化、電鍍層、干膜潤滑層、等離子噴涂或爆炸噴涂層、物理氣相沉積、有機(jī)涂層、離子注入等。而其中有的有損于鈦合金基材常規(guī)疲勞性能(如電鍍Cr導(dǎo)致其常規(guī)疲勞強(qiáng)度降低高達(dá)70％)；有的耐久性差如有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)MoS2或石墨干膜；有的導(dǎo)致鈦合金脆斷如Ag或Cd鍍層。目前針對解決鈦合金的高溫耐磨性能差和對微動(dòng)磨損敏感的問題，以固體薄膜潤滑劑、硬化表面處理和軟金屬涂層這三種類型為主的表面改性技術(shù)被應(yīng)用于鈦合金的防護(hù)上。但是仍然存在以下幾個(gè)主要問題1鈦及鈦合金是對聚合物、金屬及陶瓷涂層附著力差的金屬，這就使得一些從外部引入物料而形成的陶瓷膜或涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較差。2濕法鍍和一些包含高溫?zé)崽幚砉に嚨氖侄螘疴伜辖鸬臍浯唷伜辖鸢踩珣?yīng)用中的另一隱患。3耐磨和抗疲勞是一對矛盾，很多表面強(qiáng)化處理方法能夠提高硬度使鈦合金耐磨性能得到改善，但卻犧牲了材料的韌性，是以降低鈦合金的常規(guī)疲勞性能(SF)和微動(dòng)疲勞性能(FF)為代價(jià)的。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有的鈦合金耐磨性差、對微動(dòng)磨損損傷十分敏感的問題，本發(fā)明提供一種鈦合金表面原位生長高硬度耐磨陶瓷涂層方法。本發(fā)明方法的步驟是(1)、用3-10克/升的鋁酸鈉、1-3克/升的次亞磷酸鹽和水制成電解液；(2)、以鈦合金為基體并作為正極，以不銹鋼板為負(fù)極并將兩者置于電解液中，控制電解液溫度在10-40℃；(3)、接通脈沖電源，在五分鐘內(nèi)將電流密度調(diào)到400-800A/m2，通電反應(yīng)90-240分鐘；(4)、取出試樣經(jīng)水洗、干燥即制成成品。在上述電解液中還可加入添加劑磷鉬酸鹽或鎢酸鈉，其加入量為0.3-0.5克/升。所述鈦合金為Ti-6Al-4V。本發(fā)明所采用的微等離子氧化是一項(xiàng)在金屬表面原位生長陶瓷膜的新技術(shù)。它能直接把基體金屬氧化燒結(jié)成氧化物陶瓷膜，不從外部引入物料，有別與一般表面改性技術(shù)，使得陶瓷涂層既有高硬度，又保持了氧化膜與基體的結(jié)合力。本發(fā)明的性能評價(jià)涂層硬度的測試用HVS-1000型數(shù)顯顯微鏡硬度計(jì)，采用努普壓頭；陶瓷涂層的耐磨性能測試的摩擦副為軸承鋼。本發(fā)明用微等離子氧化法，在Ti-6Al-4V合金表面形成高硬度的陶瓷涂層，陶瓷涂層的總厚度達(dá)100μm以上，其中耐磨層厚度達(dá)到20-60μm。陶瓷涂層的最高硬度達(dá)到15GPa，對軸承鋼的摩擦系數(shù)降為鈦合金基體的1/5-1/3，磨損量接近于零。發(fā)明效果本發(fā)明利用等離子體氧化法，在鈦合金表面直接形成高硬度陶瓷涂層，有如下特點(diǎn)1.可通過控制電參數(shù)和改變電解液成分調(diào)解涂層厚度、相組成，有目的提高其硬度、耐磨性能等；2.該方法由于是在基體上原位生長形成陶瓷涂層，因此與基體結(jié)合強(qiáng)度高。
具體實(shí)施例方式
一本實(shí)施方式的方法是1、以鋁酸鈉7克/升、次亞磷酸鈉1.5克/升和水為電解液；2、以Ti-6Al-4V為基體并作為正極，以不銹鋼板為負(fù)極并將兩者置于電解液中，控制電解液溫度在10-40℃；3、接通脈沖電源，設(shè)定波頭數(shù)為1、負(fù)相占空比0.45、頻率50Hz，并在五分鐘內(nèi)使正、負(fù)電流密度達(dá)400A/M2，通電反應(yīng)時(shí)間90分鐘；4、取出試樣經(jīng)水洗、干燥即制成成品。本實(shí)施方式形成涂層的厚度為90μm以上，靠基體內(nèi)層以TiO2、Al2TiO5相為主，外層表面含有α-Al2O3相；涂層的最高硬度達(dá)到14.5-15.2GPa；與基體結(jié)合強(qiáng)度大于17MPa；該陶瓷涂層對軸承鋼的摩擦系數(shù)為0.35-0.6之間，此時(shí)陶瓷涂層基本不失重而對磨的軸承鋼表面劃痕較多。
具體實(shí)施例方式
二本實(shí)施方式的方法是1、以鋁酸鈉7克/升、次亞磷酸鈉1.5克/升和水為電解液；2、以Ti-6Al-4V為基體并作為正極，以不銹鋼板為負(fù)極并將兩者置于電解液中，控制電解液溫度在10-40℃；3、接通脈沖電源，設(shè)定波頭數(shù)為1、負(fù)相占空比0.45、頻率50Hz，并在五分鐘內(nèi)使正、負(fù)電流密度達(dá)800A/M2，通電反應(yīng)時(shí)間90分鐘；4、取出試樣經(jīng)水洗、干燥即制成成品。本實(shí)施方式形成涂層的厚度為80μm以上、最高硬度14.5GPa。
具體實(shí)施例方式
三本實(shí)施方式的方法是1、以鋁酸鈉4克/升、次亞磷酸鈉2克/升和水為電解液；2、以Ti-6Al-4V為基體并作為正極，以不銹鋼板為負(fù)極并將兩者置于電解液中，控制電解液溫度在10-40℃；3、接通脈沖電源，設(shè)定波頭數(shù)為1、負(fù)相占空比0.45、頻率50Hz，并在五分鐘內(nèi)使正、負(fù)電流密度達(dá)800A/M2，通電反應(yīng)時(shí)間90分鐘；4、取出試樣經(jīng)水洗、干燥即制成成品。本實(shí)施方式形成涂層的厚度為50μm以上、涂層最高硬度8.5GPa。
具體實(shí)施例方式
四本實(shí)施方式的方法是1、以鋁酸鈉7克/升、次亞磷酸鈉1.5克/升、鎢酸鈉0.3克/升(或磷鉬酸銨0.5克/升)和水為電解液；2、以Ti-6Al-4V為基體并作為正極，以不銹鋼板為負(fù)極并將兩者置于電解液中，控制電解液溫度在10-40℃；3、接通脈沖電源，設(shè)定波頭數(shù)為1、負(fù)相占空比0.45、頻率50Hz，并在五分鐘內(nèi)使正相電流密度達(dá)800A/M2，負(fù)電流密度達(dá)400A/M2，通電反應(yīng)時(shí)間90分鐘；4、取出試樣經(jīng)水洗、干燥即制成成品。本實(shí)施方式的結(jié)果與具體實(shí)施方式
一相同，但所形成涂層的含α-Al2O3相厚度層增加。
具體實(shí)施例方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同的是，以鋁酸鈉10克/升、次亞磷酸鈉1.5克/升和水為電解液，其它參數(shù)與具體實(shí)施方式
二相同。其結(jié)果與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施例方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三不同的是，以鋁酸鈉3克/升、次亞磷酸鈉1克/升和水為電解液，其它參數(shù)與具體實(shí)施方式
三相同。本實(shí)施方式形成涂層的厚度為50μm以上，涂層最高硬度為6.5GPa。
權(quán)利要求
1.鈦合金表面原位生長高硬度耐磨陶瓷涂層方法，其特征在于其步驟是(1)用3-10克/升的鋁酸鈉、1-3克/升的次亞磷酸鹽和水制成電解液；(2)以鈦合金為基體并作為正極，以不銹鋼板為負(fù)極并將兩者置于電解液中，控制電解液溫度在10-40℃；(3)接通脈沖電源，在五分鐘內(nèi)將電流密度調(diào)到400-800A/m2，通電反應(yīng)90-240分鐘；(4)取出試樣經(jīng)水洗、干燥即制成成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金表面原位生長高硬度耐磨陶瓷涂層方法，其特征在于在上述電解液中還可加入添加劑磷鉬酸鹽或鎢酸鈉，其加入量為0.3-0.5克/升。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金表面原位生長高硬度耐磨陶瓷涂層方法，其特征在于所述鈦合金為Ti-6Al-4V。
全文摘要
鈦合金表面原位生長高硬度耐磨陶瓷涂層方法，它涉及一種提高鈦和鈦合金表面硬度的方法。它的步驟是(1)用3－10克/升的鋁酸鈉、1－3克/升的次亞磷酸鹽和水制成電解液；(2)以鈦合金為基體并作為正極，以不銹鋼板為負(fù)極并將兩者置于電解液中，控制電解液溫度在10－40℃；(3)接通脈沖電源，在五分鐘內(nèi)將電流密度調(diào)到400－800A/m
文檔編號C25D11/26GK1515705SQ0313258
公開日2004年7月28日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者姜兆華, 王福平, 李延平, 辛世剛, 孫學(xué)通 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)