[发明专利]钛合金表面原位生长氧化膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面处理领域，尤其涉及钛合金表面处理方法的技术研究，特指钛合金表面原位生长氧化膜的制备方法。

背景技术

钛及钛合金以其较高的比强度及良好的耐蚀性广泛用于航空航天、化工、体育及医疗领域，其主要特点是密度小，比强度高，如Ti6Al4V的比强度（抗拉强度/密度）为21.7，几乎是所有金属材料中最高的；良好的抗腐蚀性能，如纯钛在35℃耐硫酸腐蚀性和在100℃时的耐硝酸腐蚀性为年腐蚀率在0.127mm以下；优异的生物相容性，在人体骨组织不会发生任何不良反应；但在有些条件下钛硬度低、耐磨性差使得耐蚀性大大下降；现有钛合金表面涂层的结合力差、热稳定性差；克服上述这些缺点，开发出了多种表面改性的方法，主要有镀Cr和Ni-P为代表的湿式镀膜法、热扩散法、堆焊法和溅射法，还有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等离子喷涂、离子注入等；然而上述钛合金表面处理方法存在各种各样的缺陷与不足；如PVD/CVD、离子注入及热氧化法在涂层制备过程中需要保持高温，在一定程度上改变了基体与涂层的结构，使基体的力学性能明显变坏；而热氧化法能耗大、时间长及劳动强度大，达到的涂层不均匀，因此有必要发展新的低成本高性能的涂层制备技术；微弧氧化技术作为一种新型的表面处理技术，正日益受到人们的重视，钛合金通过微弧氧化，基体表面原位生长一层硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性能强的陶瓷膜；目前为止，许多研究者对钛合金微弧氧化做了大量的研究，主要集中在关于微弧氧化工艺参数的优化，如电解液的体系选择、电流密度、占空比、氧化时间等，很少见到关于往主电解液中加入添加剂的报道，尤其是钨酸钠和石墨同时加入的报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种在钛合金基体表面原位生长一层氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于：将除油清洗后的钛合金作为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，将钛合金试样固定好置于电解液中，电解液为磷酸钠-硅酸钠体系，往电解液中同时加入钨酸钠和石墨，设置电解参数，处理5-30min，表面即可生成一层硬度高、耐磨性好、耐蚀性强的微弧氧化陶瓷层。

本发明是通过如下步骤来实现的，方法步骤为：

A:将切割好的钛合金分别用400#、600#、1000#的砂纸逐级打磨，将试样放入丙酮溶液中超声辅助除油清洗，然后用去离子水冲洗，吹干备用。

B：将钛合金作为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，将钛合金试样固定好悬浮于不锈钢电解槽中的电解液中进行微弧氧化，试样不得与电解槽容器接触，开通搅拌器，使电解液被均匀搅拌，试验过程中适用循环冷却系统对电解液进行降温，输入设定的电解参数，接通电源，微弧氧化后停止。

C:：将微弧氧化后的试样用蒸馏水冲洗干净，以去除表面残留的电解液，清洗完置于烘箱干燥。

所述步骤A中超声除油时间为3~5min。

所述步骤B中的微弧氧化电解液以硅酸钠-多聚磷酸钠体系为基础液，添加钨酸钠和石墨，电解液中多聚磷酸钠5~15g/L、硅酸钠10~20 g/L，络合稳定剂EDTA二钠1~5 g/L，添加剂钨酸钠1~10g/L，石墨1~3g/L，在制备电解液时，注意的是待每种物质完全溶解后才能加下一种物质。

所述步骤B中的电解参数为：微弧氧化电源为双向脉冲电源，电源功率为5~6KW、电压为300~500V、频率为400~600HZ、占空比为30%~100%、电流密度为0.05~0.5A/cm²。

所述步骤B中的微弧氧化时间为5~30min，整个微弧氧化过程中温度保持在10~50℃。

所述步骤C中干燥温度在50~100℃。

本发明的有益效果在于：微弧氧化克服了传统钛合金表面处理技术的不足，在钛合金表面原位生长一层高硬度、高耐磨性、高耐蚀性的陶瓷膜，且膜层与基体结合良好；微弧氧化工艺简单，容易控制，低的生产成本和能耗，对环境没有污染；添加剂的加入从两个方面对膜层性能产生影响，一是直接进入膜层成为膜层组成元素，二是改善了电解液性质，增加了电解液的氧化成膜能力，提高了膜层的性能；钨酸钠和石墨的加入使得膜层生长均匀，厚度增加，膜层表面均匀性提高，孔密度增加，孔径减小，表面变得更加光滑坚实，小的石墨颗粒最终沉积在膜层孔洞里面和覆盖在膜层表面，膜层的硬度、耐磨性、耐蚀性能得到进一步的提高。

附图说明

图1是 TC4钛合金在有无添加剂溶液中所得的微弧氧化膜的表面与截面形貌；

图2是添加剂对微弧氧化膜层硬度的影响；