[发明专利]一种采用电子束合成钛镍合金层的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域。本发明涉及钛基材料表面合金化改性方法。该方法是通过采用电镀镀镍和强流脉冲电子束辐射轰击的方法在纯钛金属基体表面形成高韧性、高耐磨和耐腐蚀性的合金层。

背景技术

钛在地球中分布范围很广，含量占金属世界第七位。我国目前钛资源储量已达到10亿吨，居世界首位。钛的应用范围很广，在航空航天、汽车、生物医学等各个工业领域具有广阔的应用前景。但纯钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，因此耐腐蚀是纯钛金属亟待解决的问题之一。为了提高纯钛金属的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要，开发出钛-钼、钛-钯、钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛-32钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金，均获得了较好的耐腐蚀效果。

由于钛的化学活性大，所以钛及钛合金易与摩擦表面发生粘附现象，对胶合和冷焊具有高度的敏感性。通常情况下，钛材料的表面较易生成一层由氮化物和氧化物组成的钝化膜，虽然在一定程度上可以使钛在氧化性、中性和弱还原性等介质环境下，得到一定程度的保护，但其对表面的保护作用很低，不足以提供较好的耐磨性能，加上钛及钛合金的塑性剪切抗力和加工硬化率也普遍较低，这都是导致其表面耐磨性能差的原因。所以提高纯钛的耐腐蚀性能、改善其耐磨性意义重大。

钛镍合金作为一种性能优异的钛合金，具有优良的耐磨性能、抗腐蚀、高阻尼及超弹性等优点。美国NASA-Glenn研究中心对轴承用耐磨NiTi合金的研究表明，NiTi合金经合适处理和加工后，可获得高硬度、良好的稳定性与摩擦学性能、优异的耐蚀性，是具有广阔应用前景的高性能轴承用新型材料。

众所周知，表面工程技术是节约资源、降低成本、提高材料性能的一种重要方法，并且是改善材料表面磨损、氧化、腐蚀等问题行之有效的方法之一。目前对纯钛基体改性，使表面覆上一层钛镍合金层的方法很多，研究较多的有：热喷涂、离子注入、表面氧化处理、薄膜技术、激光表面合金化等。这些方法在一定程度上改善了纯钛金属的耐腐蚀性，耐磨性，但同时也存在着操作环境差、工艺复杂、合金层较薄、表面粗糙和基体结合差等缺点。

强流脉冲电子束表面改性技术是近年来发展起来的一种高效清洁技术，它与传统的表面处理工艺相比有其自身的特点和优势。材料宏观变形小：强流脉冲电子束材料表面改性技术是对固体材料表面的局部区域进行快速升温和降温处理，整个零件没有进入高温状态，相对于材料整体来说输入能量少，几乎不会产生宏观变形，处理的材料越大越是如此。由于可以大大减少研磨余量，强流脉冲电子束处理特别合适于精密加工后的零件；能量转换的效率高：强流脉冲电子束表面处理的局部能量密度很高，入射电子的能量90%以上转化热能，很小一部分被背散射电子带走；清洁：强流脉冲电子束处理是在真空室中进行，没有空气等带来的有害影响，表面处理层非常清洁。此外，处理过程中不需要其他媒介，不会对处理的材料和操作环境造成污染；可控制性强：强流脉冲电子束的能量密度，加速电压，脉宽以及处理材料表面的位置都可以调节，由此可以精确的控制处理层的深度；经济效益高：利用强流脉冲电子束表面改性技术可以简化工序，减少周转时间，以及减少使用贵重金属。

尽管有学者采用不同的表面处理技术提高钛的耐磨和耐腐蚀性能，然而，迄今为止，没有人采用电镀技术和强流脉冲电子束辐射轰击处理相结合的方法制备钛镍合金的研究。

发明内容:

本发明的目的在于提供一种在纯钛金属表面制备一层耐磨性、耐腐蚀好防护层的制备方法，该方法采用在纯钛金属表面电镀镍和强流电子束辐射轰击方法相结合获得钛镍合金层。此合金层可以提高钛的表面性能。

一种采用电子束合成钛镍合金层的方法，包括如下工艺步骤：

（1）纯钛基体面预处理：将直径30mm的纯钛基体依次经过打磨至表面光亮平整、脱脂、清洗、烘干，以去除表面杂质、油脂和水；

（2）将预处理后的钛基体放入配制好的电镀液中，在电流密度为3 A/dm²，电镀温度45℃条件下进行电镀镍处理，在钛基体表面获得的镀层厚度为4~8μm。

（3）将带有镀层的经清洗，烘干后获得基体钛基镀镍试样，放入强流脉冲电子束仪器的真空样品室内；