一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法
【专利摘要】一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，对钛样件表面进行研磨抛光；再将表面处理后的钛样件进行酸洗，然后放置于辉光等离子渗金属离子设备中，对钛样件表面渗Mo后酸洗后活化，最后放置在铬酐和硫酸溶液中进行电镀，完成耐磨镀层的制备。该方法以钛及钛合金为基体，通过对基体表面抛光，随后在真空环境中等离子渗Mo；然后在进行活化处理，最后对坯料电镀Cr，即制得钛合金表面薄膜。与钛及钛合金相比，本发明的制备方法可显著提高钛及钛合金表面硬度，从而使耐磨性能得到了提高。
【专利说明】
一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于钛合金制备技术领域，具体涉及一种钛及钛合金表面耐磨层的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 钛及钛合金具有低密度、高比强度以及令人满意的生物相容性等许多优良的性 能，已在各个领域特别是航空航天业获得了广泛的应用。随着航空器向高速、高机动性发 展，这就要求航空器本身的重量减轻。然而，由于钛及钛合金具有耐磨性能差、表面易擦伤 等缺点，限制了钛及钛合金的应用范围。为了有效地利用钛合金的优良性能，对其进行表面 改性处理，可以大大改善钛及钛合金的表面性能，赋予其新的物理性能，扩大其应用范围。
[0003] 由于钛及钛合金表面特性，传统的表面处理工艺，例如:镀铬、化学镀镍、等离子渗 耐磨金属等表面镀膜工艺尽管提高其表面硬度，改善其耐磨性能但是也存在钛及钛合金基 体和表面镀层的结合力不强的问题。因此，为在保证基体和表面镀层的结合力的前提下提 高耐磨性能，需要一种更好的制备方法来提高钛及钛合金耐磨性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，该制备方法制备 钛及钛合金基体和表面镀层的结合力强。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1，对钛样件表面进行研磨抛光；
[0008] 步骤2,将步骤1表面处理后的钛样件进行酸洗；
[0009] 步骤3,将步骤2所得钛样件放置于辉光等离子渗金属离子设备中，对钛样件表面 渗Mo;
[0010] 步骤4，将步骤3所得钛样件进行酸洗后活化；
[0011] 步骤5，将经步骤4处理过的钛合金放置在铬酐和硫酸溶液中进行电镀，完成耐磨 镀层的制备。
[0012] 本发明进一步的改进在于，所述步骤1中研磨抛光后粗糙度小于6.4μπι。
[0013] 本发明进一步的改进在于，所述步骤2中所用酸为质量分数2-50%的硫酸。
[0014] 本发明进一步的改进在于，所述步骤3的具体过程为:将步骤2所得钛样件放置在 溅射靶台上，溅射靶为纯Mo丝组成的多重空心阴极靶，在工作气体为氩气，电压输出为100-1000V，加热温度为650-1050°C保温时间为l_9h，气压为5-30Pa的工艺条件下进行表面渗 Mo〇
[0015] 本发明进一步的改进在于，渗金属离子后形成渗Mo层，渗Mo层厚度为5-200μπι。
[0016] 本发明进一步的改进在于，所述步骤4中所用酸为质量分数5~70%的氢氟酸和质 量分数5~70%的硝酸的混合溶液;氢氟酸和硫酸的体积比为1: (3~7)。
[0017] 本发明进一步的改进在于，所述步骤4中活化是将酸洗后的钛样件在20~100°C 下，于重铬酸钠水溶液、氢氟酸和PG的混合液中进行活化，活化时间为10~60min。
[0018] 本发明进一步的改进在于，重铬酸钠水溶液的质量分数为10~80%，氢氟酸的质 量分数为10~80%，PG的质量分数为10~80% ;重络酸钠水溶液、氢氟酸和PG的体积比为8: 1:1〇
[0019] 本发明进一步的改进在于，所述步骤5的具体过程为:将经步骤4处理过的钛样件 放置在温度为50~5 5 °C的铬酐和硫酸的混合溶液中进行电镀，电镀工艺为：阴极电流为1~ 100A/dm2,通电处理1~10h，链层厚度为0.01~0 · 1mm。
[0020] 本发明进一步的改进在于，硫酸的质量分数为2-50%，铬酐与硫酸的体积比为3: 7〇
[0021] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果:本发明以钛及钛合金为基体，通过对基 体表面抛光，随后在真空环境中等离子渗Mo;然后在进行活化处理，最后对坯料电镀Cr，即 制得钛合金表面薄膜。本发明采用与钛、钛合金和镀Cr层润湿性好的Mo做为中间层，显著解 决了钛、钛合金和镀Cr层润湿性差导致的结合力不强的问题。采用本发明的方法制得的钛 及钛合金表面镀层厚度均匀，耐磨性能提高。弯曲试验表明，无裂纹、无脱落，说明基体和表 面镀层结合力强，摩擦磨损试验表明，本发明制备的镀后样件的比磨损相对值远远小于纯 钛、TC4钛合金、TB8钛合金的值，说明耐磨性能较好。
【具体实施方式】
[0022] 下面具体实施例对本发明进行详细说明，本发明中百分比（％)表示质量分数。 [0023] 实施例1
[0024]以制备纯钛表面镀层为例，其制备方法，包括以下步骤：
[0025] 步骤1，对纯钛表面进行研磨抛光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0026] 步骤2,将步骤1纯钛样件置于质量分数2%硫酸溶液中侵蚀30min，用清水清洗干 净。
[0027] 步骤3,将步骤2所得钛样件放置在辉光等离子渗金属离子设备的溅射靶台上，溅 射靶为纯Mo丝组成的多重空心阴极靶，在工作气体为氩气，电压输出为100V，加热温度为 900°C保温时间为19h，气压为30Pa的工艺条件下进行表面渗Mo,渗金属离子后形成渗Mo层， 渗Mo层厚度为5-100μπι。
[0028] 步骤4，将步骤3制备的纯钛样件先浸入体积比1:4的质量分数30 %氢氟酸和质量 分数70 %硝酸的混合溶液中侵蚀，直至冒出红色烟雾，然后直接用清水冲洗干净，最后在30 °C、体积比为8:1:1的重铬酸钠水溶液(质量分数50% )、氢氟酸(质量分数70% )和PG水溶液 (二甲基甲酰氨）（质量分数40 % )的混合液中进行活化处理，活化时间为1 Omin。
[0029]步骤5,将经步骤4处理过的纯钛样件放置在温度为50°C、体积比3:7的铬酐和质量 分数2%的硫酸的混合溶液中进行电镀，完成耐磨镀层的制备。其中，电镀工艺为阴极电流 为1 A/dm2，通电处理6h，镀层厚度为0.05mm，镀层表面为银白色。
[0030] 对制备的纯钛镀层样件进行弯曲试验和磨擦磨损试验，主要试验结果如下：
[0031] 弯曲试验：
[0032] 将样品弯成直角后，表面无裂纹、无脱落。
[0033]摩擦磨损试验：
[0034] 表1 200m跑合比磨损相对值
[0035]
[0036] 从试验结果看，基体和镀层结合力，以及表面耐磨性能均满足要求。
[0037] 实施例2
[0038]以制备TC4钛合金表面镀层为例，其制备方法，包括以下步骤：
[0039] 步骤1，对TC4钛合金表面进行研磨抛光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0040] 步骤2,将步骤1所得TC4钛合金样件置于质量分数10%硫酸溶液中侵蚀25min，用 清水清洗干净。
[0041] 步骤3,将步骤2所得TC4钛合金样件放置在辉光等离子渗金属离子设备的溅射靶 台上，溅射靶为纯Mo丝组成的多重空心阴极靶，在工作气体为氩气，电压输出为300V，加热 温度为850°C保温时间为2h，气压为20Pa的工艺条件下进行表面渗Mo,渗金属离子后形成渗 Mo层，渗Mo层厚度为5-100μηι。
[0042] 步骤4，将步骤3制备的TC4钛合金样件先浸入体积比1:7的质量分数40 %氢氟酸和 质量分数25 %硝酸的混合溶液中侵蚀，直至冒出红色烟雾，然后直接用清水冲洗干净，最后 在40°C、体积比为8:1:1的重铬酸钠水溶液(质量分数10% )、氟化氢（质量分数80% )和PGA 溶液(质量分数10% )的混合液中进行活化处理，活化时间为60min。
[0043] 步骤5,将经步骤4处理过的TC4钛合金样件放置在温度为51°C、体积比3:7的铬酐 和质量分数10%的硫酸的混合溶液中进行电镀，完成耐磨镀层的制备。其中，电镀工艺为阴 极电流为8A/dm 2，通电处理4h，镀层厚度为0.1mm，镀层表面应为银白色。
[0044] 对制备的TC4钛合金薄膜样件进行弯曲试验和磨擦磨损试验，主要试验结果如下：
[0045] 弯曲试验：
[0046] 将样品弯成直角后，表面无裂纹、无脱落。
[0047]摩擦磨损试验：
[0048] 表2 200m跑合比磨损相对值
[0049]
[0050] 从试验结果看，基体和镀层结合力，以及表面耐磨性能均满足要求。
[0051 ] 实施例3
[0052]以制备TB8钛合金表面薄膜为例，其制备方法，包括以下步骤：
[0053] 步骤1，对纯钛表面进行研磨抛光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0054] 步骤2,将步骤1ΤΒ8钛合金样件置于质量分数50%硫酸溶液中侵蚀lmin，用清水清 洗干净。
[0055] 步骤3,将步骤2所得TB8钛合金放置在辉光等离子渗金属离子设备的溅射靶台上， 溅射靶为纯Cr丝组成的多重空心阴极靶，在工作气体为氩气，电压输出为600V，加热温度为 650°C保温时间为9h，气压为10Pa的工艺条件下进行表面渗Mo,渗金属离子后形成渗Mo层， 渗Mo层厚度为5-100μπι。
[0056] 步骤4,将步骤3制备的ΤΒ8钛合金先浸入体积比1:5的质量分数70%氢氟酸和质量 分数10%的硝酸的混合溶液中侵蚀，直至冒出红色烟雾，然后直接用清水冲洗干净，最后在 20°C、体积比为8:1:1的重铬酸钠水溶液(质量分数40% )、氟化氢(质量分数10% )和PG水溶 液(质量分数30% )的混合液中进行活化处理，活化时间为50min。
[0057] 步骤5,将经步骤4处理过的TB8钛合金样件放置在温度为53°C、体积比3:7的铬酐 和质量分数50%的硫酸的混合溶液中进行电镀，完成耐磨镀层的制备。其中，电镀工艺为阴 极电流为1 〇〇A/dm2，通电处理5h，镀层厚度为0.01mm，镀层表面应为银白色。
[0058]对制备的TB8钛合金薄膜样件进行弯曲试验和磨擦磨损试验，主要试验结果如下：
[0059] 弯曲试验：
[0060] 将样品弯成直角后，表面无裂纹、无脱落。
[0061 ]摩擦磨损试验
[0062] 表3 200m跑合比磨损相对值
[0063]
[0064] 从试验结果看，基体和镀层结合力，以及表面耐磨性能均满足要求。
[0065] 实施例4
[0066] 以制备纯钛表面镀层为例，其制备方法，包括以下步骤：
[0067] 步骤1，对纯钛表面进行研磨抛光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0068] 步骤2,将步骤1纯钛样件置于质量分数20%硫酸溶液中侵蚀20min，用清水清洗干 净。
[0069] 步骤3,将步骤2所得钛样件放置在辉光等离子渗金属离子设备的溅射靶台上，溅 射靶为纯Mo丝组成的多重空心阴极靶，在工作气体为氩气，电压输出为700V，加热温度为 1050°C保温时间为2h，气压为30Pa的工艺条件下进行表面渗Mo，渗金属离子后形成渗Mo层， 渗Mo层厚度为100-200μπι。
[0070] 步骤4,将步骤3制备的纯钛样件先浸入体积比1:3的质量分数20%氢氟酸和质量 分数5 %硝酸的混合溶液中侵蚀，直至冒出红色烟雾，然后直接用清水冲洗干净，最后在70 °C、体积比为8:1:1的重铬酸钠水溶液(质量分数80% )、氢氟酸(质量分数20% )和PG水溶液 (二甲基甲酰氨）（质量分数80 % )的混合液中进行活化处理，活化时间为40min。
[0071]步骤5,将经步骤4处理过的纯钛样件放置在温度为55°C、体积比3:7的铬酐和质量 分数30%的硫酸的混合溶液中进行电镀，完成耐磨镀层的制备。其中，电镀工艺为阴极电流 为20A/dm2，通电处理10h，镀层厚度为0.03mm，镀层表面为银白色。
[0072] 实施例5
[0073]以制备TC4钛合金表面镀层为例，其制备方法，包括以下步骤：
[0074] 步骤1，对TC4钛合金表面进行研磨抛光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0075] 步骤2,将步骤1所得TC4钛合金样件置于质量分数30%硫酸溶液中侵蚀15min，用 清水清洗干净。
[0076] 步骤3,将步骤2所得TC4钛合金样件放置在辉光等离子渗金属离子设备的溅射靶 台上，溅射靶为纯Mo丝组成的多重空心阴极靶，在工作气体为氩气，电压输出为900V，加热 温度为700°C保温时间为7h，气压为5Pa的工艺条件下进行表面渗Mo,渗金属离子后形成渗 Mo层，渗Mo层厚度为5-100μηι。
[0077] 步骤4，将步骤3制备的TC4钛合金样件先浸入体积比1:6的质量分数15 %氢氟酸和 质量分数40%硝酸的混合溶液中侵蚀，直至冒出红色烟雾，然后直接用清水冲洗干净，最后 在100°C、体积比为8:1:1的重铬酸钠水溶液(质量分数20% )、氟化氢（质量分数30% )和PG 水溶液(质量分数60% )的混合液中进行活化处理，活化时间为30min。
[0078] 步骤5,将经步骤4处理过的TC4钛合金样件放置在温度为50°C、体积比3:7的铬酐 和质量分数40%的硫酸的混合溶液中进行电镀，完成耐磨镀层的制备。其中，电镀工艺为阴 极电流为50A/dm 2，通电处理7h，镀层厚度为0.04mm，镀层表面应为银白色。
[0079] 实施例6
[0080]以制备TB8钛合金表面薄膜为例，其制备方法，包括以下步骤：
[0081 ] 步骤1，对纯钛表面进行研磨抛光，表面粗糙度小于6.4μπι;
[0082] 步骤2,将步骤1ΤΒ8钛合金样件置于质量分数40%硫酸溶液中侵蚀10min，用清水 清洗干净。
[0083]步骤3,将步骤2所得TB8钛合金放置在辉光等离子渗金属离子设备的溅射靶台上， 溅射靶为纯Cr丝组成的多重空心阴极靶，在工作气体为氩气，电压输出为1000V，加热温度 为800°C保温时间为4h，气压为25Pa的工艺条件下进行表面渗Mo,渗金属离子后形成渗Mo 层，渗Mo层厚度为5-100μηι。
[0084] 步骤4,将步骤3制备的ΤΒ8钛合金先浸入体积比1:3的质量分数5%氢氟酸和质量 分数60%的硝酸的混合溶液中侵蚀，直至冒出红色烟雾，然后直接用清水冲洗干净，最后在 90°C、体积比为8:1:1的重铬酸钠水溶液(质量分数70% )、氟化氢(质量分数50% )和PG水溶 液(质量分数70% )的混合液中进行活化处理，活化时间为20min。
[0085] 步骤5,将经步骤4处理过的TB8钛合金样件放置在温度为55°C、体积比3:7的铬酐 和质量分数20%的硫酸的混合溶液中进行电镀，完成耐磨镀层的制备。其中，电镀工艺为阴 极电流为80A/dm 2，通电处理lh，镀层厚度为0.07mm，镀层表面应为银白色。
【主权项】
1. 一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，对钛样件表面进行研磨抛光； 步骤2，将步骤1表面处理后的钛样件进行酸洗； 步骤3，将步骤2所得钛样件放置于辉光等离子渗金属离子设备中，对钛样件表面渗Mo; 步骤4，将步骤3所得钛样件进行酸洗后活化； 步骤5,将经步骤4处理过的钛合金放置在铬酐和硫酸溶液中进行电镀，完成耐磨镀层 的制备。2. 根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，所述 步骤1中研磨抛光后粗糙度小于6.4μπι。3. 根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，所述 步骤2中所用酸为质量分数2-50%的硫酸。4. 根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，所述 步骤3的具体过程为:将步骤2所得钛样件放置在溅射靶台上，溅射靶为纯Mo丝组成的多重 空心阴极靶，在工作气体为氩气，电压输出为100-1000V，加热温度为650-1050°C保温时间 为l-9h，气压为5-30Pa的工艺条件下进行表面渗Mo。5. 根据权利要求1或4所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于， 渗金属离子后形成渗Mo层，渗Mo层厚度为5-200μπι。6. 根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，所述 步骤4中所用酸为质量分数5~70%的氢氟酸和质量分数5~70%的硝酸的混合溶液;氢氟 酸和硫酸的体积比为1: (3~7)。7. 根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，所述 步骤4中活化是将酸洗后的钛样件在20~100 °C下，于重铬酸钠水溶液、氢氟酸和PG的混合 液中进行活化，活化时间为10~60min。8. 根据权利要求7所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，重铬 酸钠水溶液的质量分数为10~80%，氢氟酸的质量分数为10~80%，PG的质量分数为10~ 80% ;重络酸钠水溶液、氢氟酸和PG的体积比为8:1:1。9. 根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，所述 步骤5的具体过程为:将经步骤4处理过的钛样件放置在温度为50~55°C的铬酐和硫酸的混 合溶液中进行电镀，电镀工艺为：阴极电流为1~I 〇〇A/dm2，通电处理1~I Oh，镀层厚度为 0·01~0·Imm010. 根据权利要求9所述的一种钛及钛合金表面耐磨镀层的制备方法，其特征在于，硫 酸的质量分数为2-50%，铬酐与硫酸的体积比为3:7。
【文档编号】C23C10/28GK105908183SQ201610498425
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】薛祥义, 张天明, 张利军, 郭凯, 冯奇
【申请人】西安西工大超晶科技发展有限责任公司