[发明专利]一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法

说明书

本发明公开了一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法，属于金属材料表面改性技术领域。该处理方法首先采用等离子表面合金化技术获得表面钼/锆合金层，然后对钛合金进行激光加工处理，最终获得凹坑状表面形貌的钛合金。本发明将激光加工处理与等离子表面合金化技术相结合，对钛合金进行表面复合处理，提高了钛合金的耐磨性，降低了磨损率。

技术领域

本发明涉及一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

钛合金由于具有高的特殊强度、良好的热稳定性、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，是用于航空航天、汽车、化学、海洋、军事和生物医学工业结构应用的良好选择。然而，高摩擦系数、低导热性和低表面承载力导致钛合金的摩擦磨损性能比较差，从而限制了钛合金在对耐磨性要求较高的工业领域应用。基于摩擦磨损开始发生于材料表面，已有研究表明，借助表面技术可有效提高钛合金的耐磨性。选用合适的表面处理技术对于拓展钛合金作为摩擦材料的应用具有显著意义。

发明内容

本发明旨在提供一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法，所得的钛合金具有优异的耐磨性。

本发明提供的一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法，首先采用等离子表面合金化技术获得表面钼或者锆合金层，然后对钛合金进行激光加工处理，获得凹坑状表面形貌的钛合金。等离子表面合金化技术是利用低真空条件下的气体辉光放电所产生的等离子体来实现表面合金化。在等离子表面合金化炉的炉体为阳极并接地，炉腔内除被处理工件作为放电的一个阴极之外，再设置另一个阴极（源极）。在炉体内通入氩气充当工作气体，在一定偏压以及电场作用下，氩离子电离并且不断轰击靶材和基体，轰击基体使基体温度升高直至达到欲渗温度，轰击靶材使得待渗元素以离子或者原子的形式溅射出来，被溅射出来的合金元素经沉积和扩散，在工件表面形成表面合金化层。此合金层有钼/锆元素与钛合金形成的固溶体，可以提高提高钛合金的表面硬度和耐磨性，且钼/锆合金层与钛合金之间为牢固的冶金结合。激光加工可以在大功率、低速度的工作条件下，实现金属材料的切割或者成形，得到的片状钛合金表面则为凹坑状表面形貌。凹坑可以捕捉摩擦过程中的磨屑、减小接触面积从而降低粘着效应倾向，显著改善材料的摩擦学性能。本发明创新地将等离子表面合金化技术与激光加工处理相结合，充分发挥两种加工工艺的优点，显著提高了钛合金的耐磨性，并兼具凹坑状表面形貌在摩擦学方面所拥有的优势。

上述钛合金的表面处理方法，包括以下步骤：

(1)钛合金棒材除油：在80～90 ℃的碱性溶液中浸泡5~10 min；

(2)对步骤(1)处理后的钛合金棒材进行电火花加工：使用钼丝电火花切割机，将钛合金棒材加工成圆片工件；在无水乙醇中对钛合金工件表面除油后使用SiC水砂纸进行逐级打磨、超声清洗、蒸馏水洗、干燥备用；

(3)将步骤(2)获得的钛合金圆片工件置于等离子表面合金化炉炉腔内的工件台上，工件台与第一脉冲电源的阴极连接，成为工件极，再通过源极悬挂架将源极悬挂于等离子表面合金化炉炉腔内的钛合金圆片工件上方，将源极与钛合金圆片工件的间距设置为14～16cm范围内，并通过源极悬挂架使源极与第二脉冲电源的阴极连接，成为合金化过程的靶材，等离子表面合金化炉炉壳与第一脉冲电源的和第二脉冲电源的阳极连接，并接地；

(4)将等离子表面合金化炉炉腔内部抽成真空度为10^-1 Pa，然后向炉腔内通入氩气作为载气，流量控制在为60～70 sccm，使炉腔内气压维持在25～30 Pa，启动第一脉冲电源，在其阳极与阴极间施加直流偏压，炉腔内产生辉光放电，氩气原子被电离为等离子体，随着直流偏压增大，钛合金圆片工件表面温度逐渐升高，当工件极温度升至500～550 ℃时，对钛合金圆片工件进行离子轰击清洗20～40 min；