一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法
【專利摘要】一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，對鈦樣件表面進行研磨拋光；再將表面處理后的鈦樣件進行酸洗，然后放置于輝光等離子滲金屬離子設備中，對鈦樣件表面滲Mo后酸洗后活化，最后放置在鉻酐和硫酸溶液中進行電鍍，完成耐磨鍍層的制備。該方法以鈦及鈦合金為基體，通過對基體表面拋光，隨后在真空環境中等離子滲Mo；然后在進行活化處理，最后對坯料電鍍Cr，即制得鈦合金表面薄膜。與鈦及鈦合金相比，本發明的制備方法可顯著提高鈦及鈦合金表面硬度，從而使耐磨性能得到了提高。
【專利說明】
一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法
技術領域
[0001] 本發明屬于鈦合金制備技術領域，具體涉及一種鈦及鈦合金表面耐磨層的制備方 法。
【背景技術】
[0002] 鈦及鈦合金具有低密度、高比強度以及令人滿意的生物相容性等許多優良的性 能，已在各個領域特別是航空航天業獲得了廣泛的應用。隨著航空器向高速、高機動性發 展，這就要求航空器本身的重量減輕。然而，由于鈦及鈦合金具有耐磨性能差、表面易擦傷 等缺點，限制了鈦及鈦合金的應用范圍。為了有效地利用鈦合金的優良性能，對其進行表面 改性處理，可以大大改善鈦及鈦合金的表面性能，賦予其新的物理性能，擴大其應用范圍。
[0003] 由于鈦及鈦合金表面特性，傳統的表面處理工藝，例如:鍍鉻、化學鍍鎳、等離子滲 耐磨金屬等表面鍍膜工藝盡管提高其表面硬度，改善其耐磨性能但是也存在鈦及鈦合金基 體和表面鍍層的結合力不強的問題。因此，為在保證基體和表面鍍層的結合力的前提下提 高耐磨性能，需要一種更好的制備方法來提高鈦及鈦合金耐磨性能。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，該制備方法制備 鈦及鈦合金基體和表面鍍層的結合力強。
[0005] 為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：
[0006] -種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，對鈦樣件表面進行研磨拋光；
[0008] 步驟2,將步驟1表面處理后的鈦樣件進行酸洗；
[0009] 步驟3,將步驟2所得鈦樣件放置于輝光等離子滲金屬離子設備中，對鈦樣件表面 滲Mo;
[0010] 步驟4，將步驟3所得鈦樣件進行酸洗后活化；
[0011] 步驟5，將經步驟4處理過的鈦合金放置在鉻酐和硫酸溶液中進行電鍍，完成耐磨 鍍層的制備。
[0012] 本發明進一步的改進在于，所述步驟1中研磨拋光后粗糙度小于6.4μπι。
[0013] 本發明進一步的改進在于，所述步驟2中所用酸為質量分數2-50%的硫酸。
[0014] 本發明進一步的改進在于，所述步驟3的具體過程為:將步驟2所得鈦樣件放置在 濺射靶臺上，濺射靶為純Mo絲組成的多重空心陰極靶，在工作氣體為氬氣，電壓輸出為100-1000V，加熱溫度為650-1050°C保溫時間為l_9h，氣壓為5-30Pa的工藝條件下進行表面滲 Mo〇
[0015] 本發明進一步的改進在于，滲金屬離子后形成滲Mo層，滲Mo層厚度為5-200μπι。
[0016] 本發明進一步的改進在于，所述步驟4中所用酸為質量分數5~70%的氫氟酸和質 量分數5~70%的硝酸的混合溶液;氫氟酸和硫酸的體積比為1: (3~7)。
[0017] 本發明進一步的改進在于，所述步驟4中活化是將酸洗后的鈦樣件在20~100°C 下，于重鉻酸鈉水溶液、氫氟酸和PG的混合液中進行活化，活化時間為10~60min。
[0018] 本發明進一步的改進在于，重鉻酸鈉水溶液的質量分數為10~80%，氫氟酸的質 量分數為10~80%，PG的質量分數為10~80% ;重絡酸鈉水溶液、氫氟酸和PG的體積比為8: 1:1〇
[0019] 本發明進一步的改進在于，所述步驟5的具體過程為:將經步驟4處理過的鈦樣件 放置在溫度為50~5 5 °C的鉻酐和硫酸的混合溶液中進行電鍍，電鍍工藝為：陰極電流為1~ 100A/dm2,通電處理1~10h，鏈層厚度為0.01~0 · 1mm。
[0020] 本發明進一步的改進在于，硫酸的質量分數為2-50%，鉻酐與硫酸的體積比為3: 7〇
[0021] 與現有技術相比，本發明具有的有益效果:本發明以鈦及鈦合金為基體，通過對基 體表面拋光，隨后在真空環境中等離子滲Mo;然后在進行活化處理，最后對坯料電鍍Cr，即 制得鈦合金表面薄膜。本發明采用與鈦、鈦合金和鍍Cr層潤濕性好的Mo做為中間層，顯著解 決了鈦、鈦合金和鍍Cr層潤濕性差導致的結合力不強的問題。采用本發明的方法制得的鈦 及鈦合金表面鍍層厚度均勻，耐磨性能提高。彎曲試驗表明，無裂紋、無脫落，說明基體和表 面鍍層結合力強，摩擦磨損試驗表明，本發明制備的鍍后樣件的比磨損相對值遠遠小于純 鈦、TC4鈦合金、TB8鈦合金的值，說明耐磨性能較好。
【具體實施方式】
[0022] 下面具體實施例對本發明進行詳細說明，本發明中百分比（％)表示質量分數。 [0023] 實施例1
[0024]以制備純鈦表面鍍層為例，其制備方法，包括以下步驟：
[0025] 步驟1，對純鈦表面進行研磨拋光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0026] 步驟2,將步驟1純鈦樣件置于質量分數2%硫酸溶液中侵蝕30min，用清水清洗干 凈。
[0027] 步驟3,將步驟2所得鈦樣件放置在輝光等離子滲金屬離子設備的濺射靶臺上，濺 射靶為純Mo絲組成的多重空心陰極靶，在工作氣體為氬氣，電壓輸出為100V，加熱溫度為 900°C保溫時間為19h，氣壓為30Pa的工藝條件下進行表面滲Mo,滲金屬離子后形成滲Mo層， 滲Mo層厚度為5-100μπι。
[0028] 步驟4，將步驟3制備的純鈦樣件先浸入體積比1:4的質量分數30 %氫氟酸和質量 分數70 %硝酸的混合溶液中侵蝕，直至冒出紅色煙霧，然后直接用清水沖洗干凈，最后在30 °C、體積比為8:1:1的重鉻酸鈉水溶液(質量分數50% )、氫氟酸(質量分數70% )和PG水溶液 (二甲基甲酰氨）（質量分數40 % )的混合液中進行活化處理，活化時間為1 Omin。
[0029]步驟5,將經步驟4處理過的純鈦樣件放置在溫度為50°C、體積比3:7的鉻酐和質量 分數2%的硫酸的混合溶液中進行電鍍，完成耐磨鍍層的制備。其中，電鍍工藝為陰極電流 為1 A/dm2，通電處理6h，鍍層厚度為0.05mm，鍍層表面為銀白色。
[0030] 對制備的純鈦鍍層樣件進行彎曲試驗和磨擦磨損試驗，主要試驗結果如下：
[0031] 彎曲試驗：
[0032] 將樣品彎成直角后，表面無裂紋、無脫落。
[0033]摩擦磨損試驗：
[0034] 表1 200m跑合比磨損相對值
[0035]
[0036] 從試驗結果看，基體和鍍層結合力，以及表面耐磨性能均滿足要求。
[0037] 實施例2
[0038]以制備TC4鈦合金表面鍍層為例，其制備方法，包括以下步驟：
[0039] 步驟1，對TC4鈦合金表面進行研磨拋光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0040] 步驟2,將步驟1所得TC4鈦合金樣件置于質量分數10%硫酸溶液中侵蝕25min，用 清水清洗干凈。
[0041] 步驟3,將步驟2所得TC4鈦合金樣件放置在輝光等離子滲金屬離子設備的濺射靶 臺上，濺射靶為純Mo絲組成的多重空心陰極靶，在工作氣體為氬氣，電壓輸出為300V，加熱 溫度為850°C保溫時間為2h，氣壓為20Pa的工藝條件下進行表面滲Mo,滲金屬離子后形成滲 Mo層，滲Mo層厚度為5-100μηι。
[0042] 步驟4，將步驟3制備的TC4鈦合金樣件先浸入體積比1:7的質量分數40 %氫氟酸和 質量分數25 %硝酸的混合溶液中侵蝕，直至冒出紅色煙霧，然后直接用清水沖洗干凈，最后 在40°C、體積比為8:1:1的重鉻酸鈉水溶液(質量分數10% )、氟化氫（質量分數80% )和PGA 溶液(質量分數10% )的混合液中進行活化處理，活化時間為60min。
[0043] 步驟5,將經步驟4處理過的TC4鈦合金樣件放置在溫度為51°C、體積比3:7的鉻酐 和質量分數10%的硫酸的混合溶液中進行電鍍，完成耐磨鍍層的制備。其中，電鍍工藝為陰 極電流為8A/dm 2，通電處理4h，鍍層厚度為0.1mm，鍍層表面應為銀白色。
[0044] 對制備的TC4鈦合金薄膜樣件進行彎曲試驗和磨擦磨損試驗，主要試驗結果如下：
[0045] 彎曲試驗：
[0046] 將樣品彎成直角后，表面無裂紋、無脫落。
[0047]摩擦磨損試驗：
[0048] 表2 200m跑合比磨損相對值
[0049]
[0050] 從試驗結果看，基體和鍍層結合力，以及表面耐磨性能均滿足要求。
[0051 ] 實施例3
[0052]以制備TB8鈦合金表面薄膜為例，其制備方法，包括以下步驟：
[0053] 步驟1，對純鈦表面進行研磨拋光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0054] 步驟2,將步驟1ΤΒ8鈦合金樣件置于質量分數50%硫酸溶液中侵蝕lmin，用清水清 洗干凈。
[0055] 步驟3,將步驟2所得TB8鈦合金放置在輝光等離子滲金屬離子設備的濺射靶臺上， 濺射靶為純Cr絲組成的多重空心陰極靶，在工作氣體為氬氣，電壓輸出為600V，加熱溫度為 650°C保溫時間為9h，氣壓為10Pa的工藝條件下進行表面滲Mo,滲金屬離子后形成滲Mo層， 滲Mo層厚度為5-100μπι。
[0056] 步驟4,將步驟3制備的ΤΒ8鈦合金先浸入體積比1:5的質量分數70%氫氟酸和質量 分數10%的硝酸的混合溶液中侵蝕，直至冒出紅色煙霧，然后直接用清水沖洗干凈，最后在 20°C、體積比為8:1:1的重鉻酸鈉水溶液(質量分數40% )、氟化氫(質量分數10% )和PG水溶 液(質量分數30% )的混合液中進行活化處理，活化時間為50min。
[0057] 步驟5,將經步驟4處理過的TB8鈦合金樣件放置在溫度為53°C、體積比3:7的鉻酐 和質量分數50%的硫酸的混合溶液中進行電鍍，完成耐磨鍍層的制備。其中，電鍍工藝為陰 極電流為1 〇〇A/dm2，通電處理5h，鍍層厚度為0.01mm，鍍層表面應為銀白色。
[0058]對制備的TB8鈦合金薄膜樣件進行彎曲試驗和磨擦磨損試驗，主要試驗結果如下：
[0059] 彎曲試驗：
[0060] 將樣品彎成直角后，表面無裂紋、無脫落。
[0061 ]摩擦磨損試驗
[0062] 表3 200m跑合比磨損相對值
[0063]
[0064] 從試驗結果看，基體和鍍層結合力，以及表面耐磨性能均滿足要求。
[0065] 實施例4
[0066] 以制備純鈦表面鍍層為例，其制備方法，包括以下步驟：
[0067] 步驟1，對純鈦表面進行研磨拋光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0068] 步驟2,將步驟1純鈦樣件置于質量分數20%硫酸溶液中侵蝕20min，用清水清洗干 凈。
[0069] 步驟3,將步驟2所得鈦樣件放置在輝光等離子滲金屬離子設備的濺射靶臺上，濺 射靶為純Mo絲組成的多重空心陰極靶，在工作氣體為氬氣，電壓輸出為700V，加熱溫度為 1050°C保溫時間為2h，氣壓為30Pa的工藝條件下進行表面滲Mo，滲金屬離子后形成滲Mo層， 滲Mo層厚度為100-200μπι。
[0070] 步驟4,將步驟3制備的純鈦樣件先浸入體積比1:3的質量分數20%氫氟酸和質量 分數5 %硝酸的混合溶液中侵蝕，直至冒出紅色煙霧，然后直接用清水沖洗干凈，最后在70 °C、體積比為8:1:1的重鉻酸鈉水溶液(質量分數80% )、氫氟酸(質量分數20% )和PG水溶液 (二甲基甲酰氨）（質量分數80 % )的混合液中進行活化處理，活化時間為40min。
[0071]步驟5,將經步驟4處理過的純鈦樣件放置在溫度為55°C、體積比3:7的鉻酐和質量 分數30%的硫酸的混合溶液中進行電鍍，完成耐磨鍍層的制備。其中，電鍍工藝為陰極電流 為20A/dm2，通電處理10h，鍍層厚度為0.03mm，鍍層表面為銀白色。
[0072] 實施例5
[0073]以制備TC4鈦合金表面鍍層為例，其制備方法，包括以下步驟：
[0074] 步驟1，對TC4鈦合金表面進行研磨拋光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0075] 步驟2,將步驟1所得TC4鈦合金樣件置于質量分數30%硫酸溶液中侵蝕15min，用 清水清洗干凈。
[0076] 步驟3,將步驟2所得TC4鈦合金樣件放置在輝光等離子滲金屬離子設備的濺射靶 臺上，濺射靶為純Mo絲組成的多重空心陰極靶，在工作氣體為氬氣，電壓輸出為900V，加熱 溫度為700°C保溫時間為7h，氣壓為5Pa的工藝條件下進行表面滲Mo,滲金屬離子后形成滲 Mo層，滲Mo層厚度為5-100μηι。
[0077] 步驟4，將步驟3制備的TC4鈦合金樣件先浸入體積比1:6的質量分數15 %氫氟酸和 質量分數40%硝酸的混合溶液中侵蝕，直至冒出紅色煙霧，然后直接用清水沖洗干凈，最后 在100°C、體積比為8:1:1的重鉻酸鈉水溶液(質量分數20% )、氟化氫（質量分數30% )和PG 水溶液(質量分數60% )的混合液中進行活化處理，活化時間為30min。
[0078] 步驟5,將經步驟4處理過的TC4鈦合金樣件放置在溫度為50°C、體積比3:7的鉻酐 和質量分數40%的硫酸的混合溶液中進行電鍍，完成耐磨鍍層的制備。其中，電鍍工藝為陰 極電流為50A/dm 2，通電處理7h，鍍層厚度為0.04mm，鍍層表面應為銀白色。
[0079] 實施例6
[0080]以制備TB8鈦合金表面薄膜為例，其制備方法，包括以下步驟：
[0081 ] 步驟1，對純鈦表面進行研磨拋光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0082] 步驟2,將步驟1ΤΒ8鈦合金樣件置于質量分數40%硫酸溶液中侵蝕10min，用清水 清洗干凈。
[0083]步驟3,將步驟2所得TB8鈦合金放置在輝光等離子滲金屬離子設備的濺射靶臺上， 濺射靶為純Cr絲組成的多重空心陰極靶，在工作氣體為氬氣，電壓輸出為1000V，加熱溫度 為800°C保溫時間為4h，氣壓為25Pa的工藝條件下進行表面滲Mo,滲金屬離子后形成滲Mo 層，滲Mo層厚度為5-100μηι。
[0084] 步驟4,將步驟3制備的ΤΒ8鈦合金先浸入體積比1:3的質量分數5%氫氟酸和質量 分數60%的硝酸的混合溶液中侵蝕，直至冒出紅色煙霧，然后直接用清水沖洗干凈，最后在 90°C、體積比為8:1:1的重鉻酸鈉水溶液(質量分數70% )、氟化氫(質量分數50% )和PG水溶 液(質量分數70% )的混合液中進行活化處理，活化時間為20min。
[0085] 步驟5,將經步驟4處理過的TB8鈦合金樣件放置在溫度為55°C、體積比3:7的鉻酐 和質量分數20%的硫酸的混合溶液中進行電鍍，完成耐磨鍍層的制備。其中，電鍍工藝為陰 極電流為80A/dm 2，通電處理lh，鍍層厚度為0.07mm，鍍層表面應為銀白色。
【主權項】
1. 一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，對鈦樣件表面進行研磨拋光； 步驟2，將步驟1表面處理后的鈦樣件進行酸洗； 步驟3，將步驟2所得鈦樣件放置于輝光等離子滲金屬離子設備中，對鈦樣件表面滲Mo; 步驟4，將步驟3所得鈦樣件進行酸洗后活化； 步驟5,將經步驟4處理過的鈦合金放置在鉻酐和硫酸溶液中進行電鍍，完成耐磨鍍層 的制備。2. 根據權利要求1所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，所述 步驟1中研磨拋光后粗糙度小于6.4μπι。3. 根據權利要求1所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，所述 步驟2中所用酸為質量分數2-50%的硫酸。4. 根據權利要求1所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，所述 步驟3的具體過程為:將步驟2所得鈦樣件放置在濺射靶臺上，濺射靶為純Mo絲組成的多重 空心陰極靶，在工作氣體為氬氣，電壓輸出為100-1000V，加熱溫度為650-1050°C保溫時間 為l-9h，氣壓為5-30Pa的工藝條件下進行表面滲Mo。5. 根據權利要求1或4所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于， 滲金屬離子后形成滲Mo層，滲Mo層厚度為5-200μπι。6. 根據權利要求1所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，所述 步驟4中所用酸為質量分數5~70%的氫氟酸和質量分數5~70%的硝酸的混合溶液;氫氟 酸和硫酸的體積比為1: (3~7)。7. 根據權利要求1所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，所述 步驟4中活化是將酸洗后的鈦樣件在20~100 °C下，于重鉻酸鈉水溶液、氫氟酸和PG的混合 液中進行活化，活化時間為10~60min。8. 根據權利要求7所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，重鉻 酸鈉水溶液的質量分數為10~80%，氫氟酸的質量分數為10~80%，PG的質量分數為10~ 80% ;重絡酸鈉水溶液、氫氟酸和PG的體積比為8:1:1。9. 根據權利要求1所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，所述 步驟5的具體過程為:將經步驟4處理過的鈦樣件放置在溫度為50~55°C的鉻酐和硫酸的混 合溶液中進行電鍍，電鍍工藝為：陰極電流為1~I 〇〇A/dm2，通電處理1~I Oh，鍍層厚度為 0·01~0·Imm010. 根據權利要求9所述的一種鈦及鈦合金表面耐磨鍍層的制備方法，其特征在于，硫 酸的質量分數為2-50%，鉻酐與硫酸的體積比為3:7。
【文檔編號】C23C10/28GK105908183SQ201610498425
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】薛祥義, 張天明, 張利軍, 郭凱, 馮奇
【申請人】西安西工大超晶科技發展有限責任公司