一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钛材耐磨处理技术领域，具体涉及一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]钛及钛合金具有高的比强度和优良的耐蚀性，在航空、航天、原子能等领域获得日益广泛的应用，通常钛及钛合金的表面硬度比较低，硬度一般不超过300HV?340HV，耐磨性差，使用中容易发生粘着磨损，最终导致钛零件磨损失效。为了提高钛及钛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、表面涂层处理等多种表面处理工艺技术。其中，采用激光融覆、喷涂等方法制备硬质耐磨层可以提高钛及钛合金的表面耐磨性，但由于涂层与基体之间存在界面，易起皮开裂。采用真空离子镀在钛合金表面沉积TiC、TiN、TiNAlN等硬质耐磨涂层，可获得高硬度性能的涂层，但存在膜层薄，加工成本高，零件深孔、细缝等部位难以处理的问题。
[0003]此外，科技工作者还进行了钛及钛合金的表面渗氧强化研究，专利CN102400086A、CN1632158A、CN1363713A公开了一些钛及钛合金表面渗氧强化处理方法，其主要实施方案都是将钛及钛合金材料包覆于Zr02、Mg0、Al203、Si02、C粉等粉末介质中，在大气气氛普通空气加热炉中加热保温，在钛合金试件表面形成氧固溶硬化层。其本质属于高温气体渗氧，包覆的粉末介质延缓了钛合金表面脆性氧化皮的生成。从膜层结构来看，由于钛及钛合金大气渗氧层表面疏松，质地硬、脆，因此增厚的氧化层需要进行后续表面精加工处理。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法。该方法工艺简单，所制涂层具有良好的硬度与韧性，能够与钛或钛合金基体能够实现良好的匹配。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法，其特征在于，该方法为:首先采用阳极氧化的方法在钛基体或钛合金基体表面制备二氧化钛预氧化层，然后采用真空热处理的方法使二氧化钛预氧化层中的氧元素向钛基体或钛合金基体内扩散，最终在钛基体或钛合金基体表面得到渗氧硬化涂层；所述渗氧硬化涂层的深度为10 μ m?100 μ m，硬度为700HV?900HV。
[0006]上述的一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法，其特征在于，所述阳极氧化的电解液由硫酸、双氧水和去离子水混合均匀而成，所述电解液中H2SOj^浓度为20g/L ?50g/L，H2O2的浓度为 5mL/L ?10mL/L。
[0007]上述的一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法，其特征在于，所述阳极氧化的电流密度为lA/dm2?5A/dm2;所述阳极氧化的电压为60V?100V，所述阳极氧化的时间为 1min ?30min。
[0008]上述的一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法，其特征在于，所述低真空热处理的具体过程为:将表面制备有二氧化钛预氧化层的钛基体或钛合金基体置于真空加热炉，在真空度为IPa?800Pa，温度为700°C?850°C的条件下保温Ih?5h。
[0009]上述的一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法，其特征在于，所述钛基体和钛合金基体的表面粗糙度Ra均不大于3.2 μ m。
[0010]上述的一种钛及钛合金表面渗氧硬化涂层的制备方法，其特征在于，所述钛基体的牌号为TA1、TA2或TA3，所述钛合金基体的牌号为TC4、TC6或TClI。
[0011]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0012]1、本发明首先采用阳极氧化技术在基体表面制备1102预氧化层，之后采取低真空热扩散的方法，使得T12预氧化层中的氧原子向基体内扩散，在基体表面形成渗氧硬化涂层，从而达到零件表面硬化耐磨的作用。
[0013]2、本发明制备的渗氧硬化涂层具有良好的硬度与韧性，与钛或钛合金基体能够实现良好的匹配，渗氧硬化层的深度达10 μπι?100 μm，平均显微硬度达700HV?900HV。
[0014]3、经本发明处理后的钛或钛合金工件表面光洁，尺寸精度好。
[0015]4、本发明工艺方法简单，可处理具有深孔、狭缝等复杂形状的钛及钛合金零件。
[0016]下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
[0018]本实施例在TA2钛基体表面制备渗氧硬化涂层，本实施例渗氧硬化涂层的制备方法包括以下步骤:
[0019]步骤一、对TA2钛基体进行机械抛光和除油清洗处理，使表面粗糙度Ra不大于3.2 μ m，然后对TA2钛基体进行阳极氧化处理，具体过程为:采用TA2钛基体为阳极，采用不锈钢为阴极，采用由硫酸、双氧水和去离子水混合均匀而成的溶液为电解液，且电解液中比504的浓度为20g/L，H2O2的浓度为5mL/L，加直流电，控制电流密度为lA/dm2，加压至60V后恒压反应lOmin，经检测，在TA2钛基体表面得到二氧化钛预氧化层；
[0020]步骤二、对步骤一中所述表面制备有二氧化钛预氧化层的TA2钛基体进行真空热处理，具体过程为:将表面制备有二氧化钛预氧化层的TA2钛基体置于真空加热炉，在真空度为IPa，温度为700°C的条件下保温lh，使二氧化钛预氧化层中的氧元素向TA2钛基体内扩散，最终在TA2钛基体表面得到渗氧硬化涂层。
[0021]采用HV、HK双压头自动转塔显微硬度计(型号:HXD-1000TMSC/IXD，厂家:上海泰明)按照国家标准GB/T4340.1-1999 “金属材料维氏硬度试验”规范要求对本实施例制备的渗氧硬化涂层进行测试，测得本实施例所制涂层的平均显微硬度为710HV，通过测量涂层金相端面硬度梯度变化，测得本实施例所制渗氧硬化涂层的深度为10 μ m。
[0022]实施例2
[0023]本实施例在TC4钛合金基体表面制备渗氧硬化涂层，本实施例渗氧硬化涂层的制备方法包括以下步骤:
[0024]步骤一、对TC4钛合金基体进行机械抛光和除油清洗处理，使表面粗糙度Ra不大于3.2 μ m，然后对TC4钛合金基体进行阳极氧化处理，具体过程为:采用TC4钛合金基体为阳极，采用不锈钢为阴极，采用由硫酸、双氧水和去离子水混合均匀而成的溶液为电解液，且电解液中比504的浓度为50g/L，H202的浓度为10mL/L，加直流电，控制电流密度为3A/dm2，加压至10V后恒压反应30min，经检测，在TC4钛合金基体表面得到二氧化钛预氧化层；
[0025]步骤二、对步骤一中所述表面制备有二氧化钛预氧化层的TC4钛合金基体进行真空热处理，具体过程为:将表面制备有二氧化钛预氧化层的TC4钛合金基体置于真空加热炉，在真空度为250Pa，温度为800 °C的条件下保温3h，使二氧化钛预氧化层中的氧元素向TC4钛合金基体内扩散，最终在TC4钛合金基体表面得到渗氧硬化涂层。
[0026]采用HV、HK双压头自动转塔显微硬度计(型号:HXD-1000TMSC/IXD，厂家:上海泰明)按照国家标准GB/T4340.1-1999 “金属材料维氏硬度试验”规范要求对本实施例制备的渗氧硬化涂层进行测试，测得本实施例所制涂层的平均显微硬度为820HV，通过测量涂层金相端面硬度梯度变化，测得本实施例所制渗氧硬化涂层的深度为50 μ m。
[0027]实施例3
[0028]本实施例在TC6钛合金基体表面制备渗氧硬化涂层，本实施例渗氧硬化涂层的制备方法包括以下步骤:
[0029]步骤一、对TC6钛合金基体进行机械抛光和除油清洗处理，使表面粗糙度Ra不大于3.2 μ m，然后对TC6钛合金基体进行阳极氧化处理，具体过程为:采用TC6钛合金基体为阳极，采用不锈钢为阴极，采用由硫酸、双氧水和去离子水混合均匀而成的溶液为电解液，且电解液中比504的浓度为40g/L，H2O2的浓度为10mL/L，加直流电，控制电流密度为5A/dm2，加压至100V后恒压反应30min，经检测，在TC6钛合金基体表面得到二氧化钛预氧化层；
[0030]步骤二、对步骤