钛合金因其重量轻、比强度高、耐腐蚀性好而被广泛应用于航空航天、船舶、机械、化工等领域。但其表面硬度低、耐磨性差、耐腐蚀性差,使钛合金在许多情况下难以满足实际应用的要求,严重阻碍了钛合金的进一步应用。目前,提高钛合金耐磨性的表面处理技术主要包括离子注入、化学镀、激光熔化、等离子喷涂、气相沉积和微弧氧化。每一种单表面技术都有一定的局限性。近年来,钛合金表面改性采用复合处理技术,逐步提高了其性能,解决了钛合金表面强化问题。
钛合金耐磨复合处理技术
由于工业需求的不断发展,复合涂层技术将逐渐取代单一涂层技术。微弧氧化,又称微等离子体氧化,可用于轻金属Al、Mg、Ti以及相应的合金表面,借助高电压、高电流和瞬时高温,制备具有良好冶金性能的陶瓷层。陶瓷层的主要成分是基体原位生长的氧化物,电解液成分也微弧氧化膜。微弧氧化过程中的电参数(如溶液配方、电压电流、空比、脉冲频率等)对微弧氧化膜的制备和微观结构有很大影响。该方法具有工艺安全、操作简单、溶液环保、工艺简单、膜层均匀致密、工件尺寸限制少等优点。
钛合金微弧氧化膜具有硬度高、膜基结合强度高、耐腐蚀、耐磨等优点,但膜表面粗糙、多孔松散、摩擦系数大,降低了膜的耐磨性,缩短了氧化膜的使用寿命,不利于钛合金在磨损环境中的应用。本文主要介绍了封孔法、镀铝法、脉冲电子束法、水热法、电泳沉积法等相关技术。
2.1微弧氧化封孔法
由于钛合金微弧氧化膜表面多孔松散,一些研究人员试图通过物理、化学或电化学方法将润滑材料填充到微弧氧化膜的孔隙中,以达到自润滑的效果。聚四氟乙烯(PTFE)热稳定性好,在各种环境下化学稳定性好,是理想的自润滑材料。
将PTFE颗粒填充到钛合金微弧氧化膜的孔隙中固化PTFE复合自润滑膜。封孔处理后,扫描电镜(SEM)观察结果表明,复合膜孔明显减少,表面形状更加光滑;微弧氧化膜的摩擦系数约为0.4.封孔复合膜的摩擦系数仅为0.15。在微弧氧化电解液中添加微量Cr2O三颗粒,通过封孔法,也提高了钛合金微弧氧化复合膜的耐磨性。目前封孔法使用的封孔剂多为绝缘有机化合物,因此对导电材料的应用有很多限制。同时,封孔法处理结构复杂、尺寸大的零件时,耗时长,难以涂覆到位。
2.2微弧氧化水热法
水热法是将反应介质装入封闭容器中,利用热源连续加热容器,使容器内部达到高温高压状态。在高温高压的作用下,不溶性或不溶性物质会溶解并进一步结晶。
微弧氧化处理Ti6Al4V相比之下,复合膜含有羟基磷灰石TiO二层。负荷为1N、速度为6.5cm/s摩擦时,复合处理使膜摩擦系数从0开始.6降到0.四、磨损率也由0.25降低到0.18,明显提高了膜层的耐磨性。但该复合膜层在高载荷下耐磨性能减弱,不适用于在高负荷状态下应用。
2.3微弧氧化脉冲电子束
脉冲电子束(HCPEB)表面处理技术以高速电子为载体,在很短的时间内将射能作用于材料表面,导致熔化、冷凝、蒸发、增强、扩散等一系列现象,从而获得其他热处理难以实现的物理、化学和机械性能。利用HCPEB该方法在钛合金微弧氧化膜上制备复合改性层,属于涂层重熔范畴,即提前制备微弧氧化涂层,然后施用氧化膜HCPEB,电子束重熔可以提高膜层的均匀致密性、晶粒细化程度、膜基结合强度、耐磨性和耐腐蚀性。
采用HCPEB钛合金微弧氧化膜的处理方法,SEM微弧氧化膜孔洞和颗粒特性明显消失,最大硬度可达HV,磨粒磨损迹象减少。然而,复合膜表面和截面存在一定的裂纹,导致膜结合强度降低。同时,HCPEB微弧氧化膜粗糙度要求较高。目前,将HCPEB与MAO例子少,相关研究少。
2.4微弧氧化镀铝
与钛合金相比,铝合金具有许多相似的性能。例如,它们属于阀金属。它们在应用领域相似,密度低,比强度高。它们也广泛应用于阀金属领域。但微弧氧化后钛合金和铝合金的氧化物性能差异很大。氧化膜氧化后氧化钛合金微弧的主要成分是TiO2(金红石和锐钛矿);铝合金微弧氧化的主要产物是Al2O3(α-Al2O3和γ-Al2O3[43])。Al2O3的硬度值在~HV之间,明显高于TiO2的硬度值(~HV);与此同时,TiO2韧性不足,γ-Al2O三是结构性和韧性高。因此,钛合金微弧氧化膜在硬度和耐磨性方面不如铝合金微弧氧化膜。如果镀铝技术与微弧氧化技术相结合,制备复合涂层,充分发挥两种技术的优势,可以显著提高钛合金在微弧氧化后的耐磨性和耐腐蚀性。同时,拓宽钛合金在航空航天领域的进一步应用。
镀铝层性能优良,制备方法多样,经济效益可观Al资源储量丰富,一直是涂层改性技术研究的热点。目前,钛合金微弧氧化膜表面镀铝的方法多种多样。与微弧氧化相结合的常用镀铝技术主要有热浸镀、多弧离子镀、磁控溅射镀等。
目前,热浸镀铝工艺已经成熟,但仍存在成本高、环境污染等缺点。同时,由于镀液流动性差,很难有效地渗透到复杂的工件中。随着渗铝技术的发展,电泳扩散喷涂、真空液相渗铝、热喷涂扩散渗铝、真空蒸镀等一些新的渗铝方法逐渐取代热浸镀铝并在耐磨性和耐腐蚀性方面,微弧氧化与其他技术的结合可以提高单一微弧氧化技术制备的膜性能。因此,复合技术是钛合金耐磨技术未来的发展方向。