专利名称：一种钛合金表面复合膜层的制备方法及其溶液配方的制作方法
技术领域：
本发明涉及钛合金的表面改性方法。
背景技术：
目前国内外的非铁合金材料表面改性的主要方法有热喷涂、化学镀、电镀、有机物涂覆、热扩散、气相沉积、高能束表面改性、化学转化、阳极氧化、等离子体电解氧化等。表面工程新技术-等离子体电解沉积技术可分为等离子体电解渗透技术和等离子体电解氧化技术两个分支，其中等离子体电解氧化是在阳极氧化的基础上发展起来的一种先进的表面处理技术，主要应用于铝、镁、钛等非铁合金上，能直接在其表面原位生长一层陶瓷质氧化膜，与同类技术相比，处理所得工件表面的性能有很大的提高。而等离子体电解渗透是在工件表面实现氮、碳以及金属等元素的离子注入，从而进行表面改性的新技术，但主要应用在黑色金属的表面改性领域。它与高能束离子注入、化学热处理等离子注入渗透方法相比， 具有效率高、成本低、能加工复杂工件等优点。即等离子体电解沉积的两大分支技术目前都是分别使用的，文献中没有将这两种技术同时应用于黑色金属或非铁合金的公开报道。为了进一步提高金属材料表面的防护能力，研究者们开始通过以上表面改性方法的不同组合在金属材料表面制备性能优异的复合膜层。以本发明涉及到的等离子体电解氧化技术为例，现有的复合方法是通过在电解液中加入功能性颗粒，在等离子体电解氧化的作用下，实现与膜层中陶瓷相的共沉积，或者通过对陶瓷质氧化膜进行后续的热喷涂、物理气相沉积、化学镀、电镀等处理来制得复合膜，但这些复合方法存在工艺繁琐、成本高、难于控制、不能加工形状复杂的工件等问题，不易实现工业化应用。同时还存在膜层结合力弱的缺点，这是由这些后续表面处理技术自身多具有机械结合、分子键结合的本征缺陷所带来的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在钛合金表面制备综合性能更好的复合膜的方法及其溶液组成。本发明是一种钛合金表面复合膜层的制备方法及其溶液配方，其方法的步骤为(1)将打磨清洗好的钛合金工件置于含有欲渗入元素的电解液中先进行等离子体电解渗透处理，在其表面形成含有渗入元素分布的表面改性层；(2)再将被处理工件清洗后，将其置于碱性电解液中进行等离子体电解氧化处理， 最终在工件表面获得硬度高、耐蚀、抗磨、减摩的综合性能优异的复合膜层。用于以上所述制备方法的步骤(1)中的溶液配方，在进行等离子体电解氧化处理时的电解液组成为含有欲渗入元素C、N、B、S的化合物A 10 140g/L，氢氧化钠2 30g/ L ；化合物A是甲酰胺、尿素、乙醇胺、硼砂、硫脲中的一种或多种物质的组合。用于以上所述制备方法的步骤O)中的溶液配方，在进行等离子体电解氧化处理时的电解液组成为氢氧化钠，或者氢氧化钾2 40g/L，氟化钾5 30g/L，化合物B :10 50g/L ；化合物B是硅酸盐、硼酸盐、碳酸盐、铝酸盐、锆盐、钛酸盐、钼酸盐、钨酸盐、钒酸盐、 锰酸盐中的一种或多种物质的组合。目前等离子体电解沉积的两大分支技术都是分别使用的，其中等离子体电解渗透技术主要应用于黑色金属的表面改性领域，而等离子体电解氧化技术主要应用于铝、镁、钛等非铁合金的表面处理方面，文献中没有将这两种技术同时应用于黑色金属或非铁合金的公开报道。本发明是将这两种技术同时用于钛合金上，并且先进行等离子体电解渗透处理， 在材料表面先形成含有渗入元素分布的表面改性层，然后再进行等离子体电解氧化处理， 进一步在材料表面生成性能优异的氧化膜层，且第一步处理中已渗入的元素也要参加此时的化学反应并生成优质物相存在于复合膜层中。最终在工件表面获得硬度高、抗磨、减摩、 耐蚀性好的优质复合膜层。因此，本发明的优势在于本发明结合等离子体电解渗透和等离子体电解氧化两种处理工艺的优势，在钛合金工件表面得到了综合性能更好的复合膜层。该复合膜层中除了含有传统的等离子体电解氧化处理可得到钛的氧化物及其盐外，还有具有耐磨、耐蚀、高硬度、自润滑特性的优质物相，如 Si3N4, TiN, V2N, A1N、SiC、B4C, TiC、WC、V2C, Mo2C, SiB4, TiB2, MnB2, MoS2, WS2 等，因此极大地提高了工件表面的综合性能。同时由于第一步等离子体电解渗透处理时C、N、B、S等元素渗入形成的渗层区域的存在，既降低了膜基面的化学活性，改善了其耐蚀性，也提高了钛合金工件表面的承载能力。并且由于等离子体电解渗透时的离子注入特性和等离子体电解氧化时的原位生长特性，使膜基面和膜层之间的结合强度也得到了极大地提高。复合膜层中优质物相的含量和种类可以通过工艺参数和溶液配方来控制。工件打磨清洗后就可以进行处理，没有电镀、化学镀等那样繁琐的前处理工艺。工件的两步处理是在同一台电源设备上完成，且都是在液相环境中进行。该工艺简单、效率高，也不受工件形状的限制，可以加工外形复杂且带有内腔的工件，而且所用的溶液无污染、成本低。
图1是TC4钛合金得到的复合膜层的XRD谱图。
具体实施例方式本发明是一种钛合金表面复合膜层的制备方法及其溶液配方，其方法的步骤为(1)将打磨清洗好的钛合金工件置于含有欲渗入元素的电解液中先进行等离子体电解渗透处理，在其表面形成含有渗入元素分布的表面改性层；(2)再将被处理工件清洗后，将其置于碱性电解液中进行等离子体电解氧化处理， 最终在工件表面获得硬度高、耐蚀、抗磨、减摩的综合性能优异的复合膜层。根据以上所述的制备方法，在进行等离子体电解渗透处理时将钛合金工件连接到电源的电极上，处理过程电压为150 400V，频率为500 800HZ，占空比为20 90%，处理时间为10 90min。根据以上所述的制备方法，在进行等离子体电解氧化处理时，将已经过等离子体电解渗透处理的钛合金工件连接到电源的阳极上，处理过程的电压为200 500V，频率为 600 900HZ，占空比为10 60%，处理时间为10 60min。
用于以上所述制备方法的步骤(1)中的溶液配方，在进行等离子体电解氧化处理时的电解液组成为含有欲渗入元素C、N、B、S的化合物A 10 140g/L，氢氧化钠2 30g/ L ；化合物A是甲酰胺、尿素、乙醇胺、硼砂、硫脲中的一种或多种物质的组合。用于以上所述制备方法的步骤O)中的溶液配方，在进行等离子体电解氧化处理时的电解液组成为氢氧化钠，或者氢氧化钾2 40g/L，氟化钾5 30g/L，化合物B :10 50g/L ；化合物B是硅酸盐、硼酸盐、碳酸盐、铝酸盐、锆盐、钛酸盐、钼酸盐、钨酸盐、钒酸盐、 锰酸盐中的一种或多种物质的组合。处理样品为TC4钛合金，被切成方片，规格为14mmX IOmmX 2mm。具体操作步骤为1.样品预处理将样品依次经过400目、800目、1500目的砂纸打磨，用蒸馏水清洗。2.样品先进行等离子体电解渗透处理样品连接到电源电极，置于组成为甲酰胺50ml/L，氢氧化钠8g/L的溶液中，控制电压:400V，频率:700HZ，占空比20%，处理时间 60mino3.样品进行等离子体电解氧化处理样品经过等离子体电解渗透处理后，用蒸馏水清洗，连接到电源阳极，置于组成为硅酸钠20g/L，氢氧化钠5g/L，氟化钾16g/L的溶液中。控制电压450V，频率700HZ，占空比20%，处理时间15min。如图1所示，最终在样品表面获得厚度为27-30 μ m的陶瓷质复合膜层。
权利要求
1.一种钛合金表面复合膜层的制备方法，其步骤为(1)将打磨清洗好的钛合金工件置于含有欲渗入元素的电解液中先进行等离子体电解渗透处理，在其表面形成含有渗入元素分布的表面改性层；(2)再将被处理工件清洗后，将其置于碱性电解液中进行等离子体电解氧化处理，最终在工件表面获得硬度高、耐蚀、抗磨、减摩的综合性能优异的复合膜层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在进行等离子体电解渗透处理时将钛合金工件连接到电源的电极上，处理过程电压为150 400V，频率为500 800HZ，占空比为20 90%，处理时间为10 90min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在进行等离子体电解氧化处理时， 将已经过等离子体电解渗透处理的钛合金工件连接到电源的阳极上，处理过程的电压为 200 500V，频率为600 900HZ，占空比为10 60%，处理时间为10 60min。
4.用于权利要求1所述制备方法的步骤(1)中的溶液配方，其特征在于在进行等离子体电解氧化处理时的电解液组成为含有欲渗入元素C、N、B、S的化合物A :10 140g/L， 氢氧化钠2 30g/L ；化合物A是甲酰胺、尿素、乙醇胺、硼砂、硫脲中的一种或多种物质的组合。
5.用于权利要求1所述制备方法的步骤O)中的溶液配方，其特征在于在进行等离子体电解氧化处理时的电解液组成为氢氧化钠，或者氢氧化钾2 40g/L，氟化钾5 30g/L，化合物B :10 50g/L ；化合物B是硅酸盐、硼酸盐、碳酸盐、铝酸盐、锆盐、钛酸盐、钼酸盐、钨酸盐、钒酸盐、锰酸盐中的一种或多种物质的组合。
全文摘要
一种钛合金表面复合膜层的制备方法及其溶液配方，其方法的步骤为(1)将打磨清洗好的钛合金工件置于含有欲渗入元素的电解液中先进行等离子体电解渗透处理，在其表面形成含有渗入元素分布的表面改性层；(2)再将被处理工件清洗后，将其置于碱性电解液中进行等离子体电解氧化处理，最终在工件表面获得硬度高、耐蚀、抗磨、减磨的综合性能优异的复合膜层；用于以上所述制备方法的步骤(1)中的溶液配方，在进行等离子体电解氧化处理时的电解液组成为含有欲渗入元素C、N、B、S的化合物A10～140g/L，氢氧化钠2～30g/L；化合物A是甲酰胺、尿素、乙醇胺、硼砂、硫脲中的一种或多种物质的组合。
文档编号C25D11/26GK102321902SQ20111017532
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者李元东, 王劲松, 郝远, 马跃洲, 马颖 申请人:兰州理工大学