一種采用電子束合成鈦鎳合金層的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料表面改性技術領域。本發明涉及鈦基材料表面合金化改性方法。該方法是通過采用電鍍鍍鎳和強流脈沖電子束輻射轟擊的方法在純鈦金屬基體表面形成高韌性、高耐磨和耐腐蝕性的合金層。
【背景技術】
[0002]鈦在地球中分布范圍很廣，含量占金屬世界第七位。我國目前鈦資源儲量已達到10億噸，居世界首位。鈦的應用范圍很廣，在航空航天、汽車、生物醫學等各個工業領域具有廣闊的應用前景。但純鈦是一種非常活潑的金屬，其平衡電位很低，在介質中的熱力學腐蝕傾向大，因此耐腐蝕是純鈦金屬亟待解決的問題之一。為了提高純鈦金屬的耐蝕性，研宄出氧化、電鍍、等離子噴涂、離子氮化、離子注入和激光處理等表面處理技術，對鈦的氧化膜起到了增強保護性作用，獲得了所希望的耐腐蝕效果。針對在硫酸、鹽酸、甲胺溶液、高溫濕氯氣和高溫氯化物等生產中對金屬材料的需要，開發出鈦-鉬、鈦-鈀、鈦-鉬-鎳等一系列耐蝕鈦合金。鈦鑄件使用了鈦-32鉬合金，對常發生縫隙腐蝕或點蝕的環境使用了鈦-0.3鉬-0.8鎳合金或鈦設備的局部使用了鈦-0.2鈀合金，均獲得了較好的耐腐蝕效果。
[0003]由于鈦的化學活性大，所以鈦及鈦合金易與摩擦表面發生粘附現象，對膠合和冷焊具有高度的敏感性。通常情況下，鈦材料的表面較易生成一層由氮化物和氧化物組成的鈍化膜，雖然在一定程度上可以使鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質環境下，得到一定程度的保護，但其對表面的保護作用很低，不足以提供較好的耐磨性能，加上鈦及鈦合金的塑性剪切抗力和加工硬化率也普遍較低，這都是導致其表面耐磨性能差的原因。所以提高純鈦的耐腐蝕性能、改善其耐磨性意義重大。
[0004]鈦鎳合金作為一種性能優異的鈦合金，具有優良的耐磨性能、抗腐蝕、高阻尼及超彈性等優點。美國NASA-Glenn研宄中心對軸承用耐磨NiTi合金的研宄表明，NiTi合金經合適處理和加工后，可獲得高硬度、良好的穩定性與摩擦學性能、優異的耐蝕性，是具有廣闊應用前景的高性能軸承用新型材料。
[0005]眾所周知，表面工程技術是節約資源、降低成本、提高材料性能的一種重要方法，并且是改善材料表面磨損、氧化、腐蝕等問題行之有效的方法之一。目前對純鈦基體改性，使表面覆上一層鈦鎳合金層的方法很多，研宄較多的有:熱噴涂、離子注入、表面氧化處理、薄膜技術、激光表面合金化等。這些方法在一定程度上改善了純鈦金屬的耐腐蝕性，耐磨性，但同時也存在著操作環境差、工藝復雜、合金層較薄、表面粗糙和基體結合差等缺點。
[0006]強流脈沖電子束表面改性技術是近年來發展起來的一種高效清潔技術，它與傳統的表面處理工藝相比有其自身的特點和優勢。材料宏觀變形小:強流脈沖電子束材料表面改性技術是對固體材料表面的局部區域進行快速升溫和降溫處理，整個零件沒有進入高溫狀態，相對于材料整體來說輸入能量少，幾乎不會產生宏觀變形，處理的材料越大越是如此。由于可以大大減少研磨余量，強流脈沖電子束處理特別合適于精密加工后的零件；能量轉換的效率高:強流脈沖電子束表面處理的局部能量密度很高，入射電子的能量90%以上轉化熱能，很小一部分被背散射電子帶走；清潔:強流脈沖電子束處理是在真空室中進行，沒有空氣等帶來的有害影響，表面處理層非常清潔。此外，處理過程中不需要其他媒介，不會對處理的材料和操作環境造成污染；可控制性強:強流脈沖電子束的能量密度，加速電壓，脈寬以及處理材料表面的位置都可以調節，由此可以精確的控制處理層的深度；經濟效益高:利用強流脈沖電子束表面改性技術可以簡化工序，減少周轉時間，以及減少使用貴重金屬。
[0007]盡管有學者采用不同的表面處理技術提高鈦的耐磨和耐腐蝕性能，然而，迄今為止，沒有人采用電鍍技術和強流脈沖電子束輻射轟擊處理相結合的方法制備鈦鎳合金的研宄。
[0008]
【發明內容】
:
本發明的目的在于提供一種在純鈦金屬表面制備一層耐磨性、耐腐蝕好防護層的制備方法，該方法采用在純鈦金屬表面電鍍鎳和強流電子束輻射轟擊方法相結合獲得鈦鎳合金層。此合金層可以提高鈦的表面性能。
[0009]一種采用電子束合成鈦鎳合金層的方法，包括如下工藝步驟:
(1)純鈦基體面預處理:將直徑30mm的純鈦基體依次經過打磨至表面光亮平整、脫脂、清洗、烘干，以去除表面雜質、油脂和水；
(2)將預處理后的鈦基體放入配制好的電鍍液中，在電流密度為3A/dm2,電鍍溫度45°C條件下進行電鍍鎳處理，在鈦基體表面獲得的鍍層厚度為4~8 μπι。
[0010](3)將帶有鍍層的經清洗，烘干后獲得基體鈦基鍍鎳試樣，放入強流脈沖電子束儀器的真空樣品室內；
(4)啟動強流脈沖電子束儀器，抽真空至真空度小于3X 10_2Pa后，采用強流脈沖電子束輻照轟擊鈦基鍍鎳試樣表面，進行表面合金化處理；處理參數為:加速電壓10-15kV，電流80-150A，脈沖間隔1-60秒，脈沖次數為10-50次，在鈦基體上制成鈦鎳合金層。
[0011]所述的電鍍液的成分為:硫酸鎳50g/L、硼酸10g/L、十二烷基硫酸鈉3mg/L。
[0012]所述的鈦鎳合金層的成分為Ti2Ni合金。
[0013]所述的抽真空采用的設備為渦輪分子泵。
[0014]本發明的有益效果:
(I)對純鈦金屬進行合金化處理能夠賦予其優異的耐磨性能并有效地改善基體的耐腐蝕性能，該合金層與鈦金屬基體有良好的結合力。
[0015](2)采用電鍍的方式在純鈦表面覆上鎳層，具有易于實施，經濟適用的優點。
[0016](3)采用強流脈沖電子束輻射轟擊合金化，處理過程中，具有操作簡單，避免空氣污染，提高合金層純度的優點。
【附圖說明】
[0017]圖1為實施例1電子束輻射形成的鈦鎳合金層XRD譜圖；
圖2為實施例2電子束輻射形成的鈦鎳合金層XRD譜圖；
圖3為實施例3電子束輻射形成的鈦鎳合金層XRD譜圖。
具體實施方案
[0018]本發明在鈦基材料表面電鍍鎳后，采用強流脈沖電子束輻射轟擊制備鎳鈦合金層的方法，下面結合實例對本發明做進一步詳細說明。具體實施步驟如下:
實施例1:
一種采用電子束合成鈦鎳合金層的方法，包括如下工藝步驟:
1、將直徑30mm的純鈦基體先用600#水砂紙粗磨表面，再用1200#水砂紙細磨，直至鈦片表面平整光亮后，放入脫脂液中，脫脂處理后用清水清洗。
[0019]2、將脫脂處理后的鈦基體放入配制好的電鍍液中，進行鍍鎳處理，鎳鍍層的厚度為4 μπι，電鍍液的成分為:硫酸鎳50g/L、硼酸10g/L、十二烷基硫酸鈉3mg/L。
[0020]3、將鈦基鍍鎳試樣用清水反復清洗鎳層；將表面不含電鍍液的鍍鎳鈦烘干；將表面干凈的鈦基鍍鎳試樣放入強流脈沖電子束真空樣品室內。
[0021]4、啟動強流脈沖電子束儀器，渦輪分子泵抽真空至真空度至2.5X10_2P