一种钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法，属于金属表面处理技术领域。首先在钛合金基体表面进行多弧离子镀形成具有纳米尺度的纯铝层，然后在该镀铝层表面进行交流脉冲的微弧氧化，通过控制脉冲频率、氧化时间等电参数，在钛合金表面形成外层为Al

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法
本专利技术涉及金属表面处理
，具体涉及一种钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法。
技术介绍
钛合金紧固件由于具有质量轻、强度高、耐蚀性好的特点，在国内外军民用飞机上的应用越来越普遍。但是，钛合金硬度低，耐磨性能差，由其磨损而诱发断裂是紧固件失效的重要诱因之一。因此，需要对其表面进行防护处理。目前，钛合金表面硬化处理方法主要分为二类，一类是在钛合金表面施加硬度较大的涂层，例如电镀硬铬或化学镀镍，用物理气相沉积(PVD)的方法制备氮化物等硬质涂层等等；第二类是通过改变钛合金表层的化学成分和微观组织来提高其硬度，例如渗氮、渗碳以及氧化等。经过上述方法处理后钛合金的耐磨性都有不同程度的提高。但是硬铬和镍等金属层对钛合金耐磨性提高的程度有限；氮化物等硬质涂层虽然硬度较高，但当涂层厚度(大于5μm)增加时，涂层中较高的内应力导致涂层易剥落，而且紧固件通常形状复杂，涂层发生剥落的趋势增加；表面渗氮和渗碳等可显著提高钛合金的耐磨性，但通常渗氮和渗碳处理都是在较高的温度进行，处理过程中合金内部组织可能发生变化，从而对合金力学性能产生不利影响。微弧氧化是从普通阳极氧化发展而来的，它突破了传统的阳极氧化电流、电压法拉第区域的限制，把阳极电位由几十伏提高到几百伏，氧化电流也从小电流发展到大电流，由直流发展到交流，致使在样品表面上出现电晕、辉光、微弧放电、甚至火花放电等现象。该技术具有以下特点：(1)孔隙率低，膜层有很高的耐腐蚀性能；(2)陶瓷层从基体上生长，与基体的结合紧密，不容易脱落；(3)通过改变工艺条件和在电解液中添加胶体微粒，可以方便的调整膜层的微观结构及获得新的微观结构，即实现了膜层的功能设计；(4)能在内外表面生成均匀膜层，扩大了微弧氧化的适用范围等。目前，关于钛合金的微弧氧化研究主要集中在两方面：一是钛合金表面生物活性陶瓷层的制备，这类研究主要是通过在溶液中引入钙、磷等生物活性离子，通过调整微弧氧化膜层的工艺参数如电压、电流、频率等，在膜层表面制备含有磷酸钙或羟基磷灰石的生物活性涂层。该类涂层的主要功能用于提高钛合金在人体内的生物活性，膜层的耐磨性并不是很高。另一方面为了提高钛合金表面的耐磨性，通过在溶液中引入铝酸盐，经过微弧氧化处理在钛合金表面形成含有尖晶石结构的Al2TiO5，进而提高钛合金表面的显微硬度和耐磨性，钛酸铝是一种具有低热膨胀系数及低导热系数的陶瓷材料，通常用作耐火材料，然而，钛酸铝陶瓷材料也存在处理过程中易发生裂纹而导致其弯曲强度低的缺点。另外，常用钛合金的微弧氧化处理液还包括硅酸盐、磷酸盐和碳酸盐等，这些电解液中所形成的微弧氧化膜的主要成分为锐钛矿TiO2和金红石TiO2，两者的显微硬度值为500HV左右，相对于渗氮、渗碳等方法形成的氮化钛或碳化钛涂层，其硬度和耐磨性较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法，本专利技术的微弧氧化陶瓷涂层为复合涂层，由外层Al2O3层以及内层TiO2层组成，该复合涂层不仅与基体结合牢固，而且涂层能有效地提高钛合金基体的耐蚀性，同时，该复合防护层具有较高的硬度、耐磨性和抗刮伤性，可大幅度提高钛合金的综合防护性能。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层，该微弧氧化陶瓷涂层是由依次覆盖于钛合金表面的TiO2陶瓷层和Al2O3陶瓷层形成的梯度复合陶瓷涂层。所述TiO2陶瓷层厚度为5～50μm；所述Al2O3陶瓷层厚度为5～30μm，孔隙率为30％～70％，硬度为1000～1500HV。该微弧氧化陶瓷涂层与基体的结合强度为25～40MPa(GB/T5210-85)，表面维氏硬度最大达1000～1500HV，耐中性盐雾试验达1000～3000小时(GB/T10125)，摩擦系数为0.2～0.8，磨损量为0.05～0.5g(HB5057-93)。本专利技术基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法为：首先采用多弧离子镀方法在钛合金表面制备纳米尺度的纯铝镀层，然后对所述纯铝镀层进行微弧氧化工艺，从而在钛合金表面获得所述微弧氧化陶瓷涂层。所述多弧离子镀方法包括如下步骤：(1)纯铝靶材的制备：将铝锭置于真空感应炉中精炼，工艺参数为：温度700～850℃，保温时间3-8分钟，真空度1～5×10-1Pa。然后浇铸成圆柱形靶锭。对靶锭进行机械加工，制成成型靶材。(2)钛合金基体材料的喷砂预处理：磨料采用Al2O3，磨料粒度为100～500微米，喷砂机喷嘴压力为0.1～0.5MPa，喷射角度为45°掠射，喷嘴与钛板表面距离保持在1～3cm，粗化时间10～60s。(3)多弧离子镀制备纯铝镀层，主要工艺参数的控制包括基体沉积温度、反应气体压强与流量、靶源电流、基体负偏压、基体沉积时间等，具体过程为：膜层沉积前，首先通入氩气，施加脉冲偏压轰击钛合金表面以去除污物；具体参数为：电弧电流50～90A，偏压-600～-1000V，通氩气真空度0.1～0.3Pa，本底真空度3～8×10-3MPa，占空比5～20％，加热温度150～300℃，轰击时间3～10分钟；轰击后进行镀膜，镀膜过程工艺参数：偏压-20～-100V，占空比20～40％，镀膜时间0.5～3小时。所得纯铝镀层厚度为5～30微米，晶粒尺寸为10～100nm。对所得纯铝镀层进行微弧氧化工艺的过程如下：将覆盖纯铝镀层的钛合金放入微弧氧化电解液中，采用交流脉冲方式进行微弧氧化；所述微弧氧化电解液组成为：氢氧化钠1～3g/L，硅酸钠5～20g/L，硼酸钠1～5g/L，磷酸钠5～10g/L，草酸3～8g/L，其余为水；所述微弧氧化工艺参数为：脉冲频率为50～2000Hz，正向电流密度为1～10A/dm2，反向电流密度1～5A/dm2，正向电压400～500V，负向电压80～150V，温度为20～50℃，占空比30～70％，氧化时间为20～120min。通过上述微弧氧化工艺，将纯铝镀层转变为硬质的Al2O3陶瓷层，同时，在镀铝层与钛基体的界面处，将钛基体进一步氧化形成TiO2过渡层，从而在钛合金基体表面形成由外层Al2O3层和内层TiO2层组成的复合梯度陶瓷涂层。由于Al2O3陶瓷层具有较高的硬度(HV1000～1500)，而TiO2陶瓷层与基体的弹性模量又相近，因此，该复合陶瓷层(Al2O3/TiO2)不仅与基体的具有较高的结合强度，同时，对钛合金基体的耐磨性和硬度均有较大的提高。本专利技术的优点和有益效果如下：1、本专利技术中采用多弧离子镀技术在钛合金表面镀纯铝层，多弧离子镀过程的突出特点在于它能产生由高度离化的被蒸发材料组成的等离子体，其中离子具有很高的动能。蒸发、离化、加速都集中在阴极斑点及其附近很小的区域内。其特点如下：(1)最显著的特点是从阴极直接产生等离子体(2)入射粒子能量高，涂层的致密度高，强度和耐久性好(3)离化率高，一般可达60％～80％(4)沉积速度快，绕镀性好(5)设备较为简单，采用低电压电源工作比较安全(6)一弧多用，电弧既是蒸发源和离化源，又是加热源和离子溅射清洗的离子源(7)外加磁场可以改善电弧放电，使电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层，其特征在于：该微弧氧化陶瓷涂层是由依次覆盖于钛合金表面的TiO

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层，其特征在于：该微弧氧化陶瓷涂层是由依次覆盖于钛合金表面的TiO2陶瓷层和Al2O3陶瓷层形成的梯度复合陶瓷涂层。2.根据权利要求1所述的钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层，其特征在于：所述TiO2陶瓷层厚度为5～50μm；所述Al2O3陶瓷层厚度为5～30μm，孔隙率为30％～70％，硬度为1000～1500HV。3.根据权利要求1或2所述的钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层，其特征在于：该微弧氧化陶瓷涂层与基体的结合强度为25～40MPa，表面维氏硬度最大达1000～1500HV，耐中性盐雾试验达1000～3000小时，摩擦系数为0.2～0.8，磨损量为0.05～0.5g。4.根据权利要求1所述的钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：首先采用多弧离子镀方法在钛合金表面制备纳米尺度的纯铝镀层，然后对所述纯铝镀层进行微弧氧化工艺，将纯铝镀层转变为Al2O3陶瓷层，同时，在镀铝层与钛合金基体的界面处，将钛合金基体表面氧化形成TiO2陶瓷层，从而在钛合金表面获得梯度复合陶瓷涂层。5.根据权利要求4所述的钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述多弧离子镀方法包括如下步骤：(1)纯铝靶材的制备；(2)钛合金基体材料的喷砂预处理；(3)多弧离子镀制备纯铝镀层；主要工艺参数的控制包括基体沉积温度、反应气体压强与流量、靶源电流、基体负偏压、基体沉积时间等。6.根据权利要求5所述的钛合金表面基于多弧离子镀铝的微弧氧化陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，纯铝靶材的制备过程为：将铝锭置于真空感应炉中精炼，工艺参数为：温度700～850℃，保温时间3-8分钟，真空度1～5×10-1Pa；然后浇铸成圆柱形靶锭，对靶锭进行机械加...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，辛丽，朱圣龙，张涛，王福会，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21