[发明专利]一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法

说明书

本发明涉及一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法，所述制备方法具体为：预先在钛合金基体表面沉积一层纯钛层，然后再经渗硼法，生长获得硼钛复合层。本发明不仅使钛合金的耐磨性能得到显著提高，能够承受更大的载荷，而且对轻量化钛合金在更苛刻条件下的稳定应用提供了可靠性。

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术，具体涉及一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法。

背景技术

钛合金的低硬度、较差的耐磨性以及高温下迅速退化的性能是限制其在航空航天、石化、医疗等方面获得更多应用的主要障碍。统计表明，钛合金约80％的机器零件失效是由摩擦磨损和高温氧化引起的。

由于Ti与B反应形成的化合物TiB_X既具有陶瓷材料的高熔点、高硬度、高强度等特点，又具有金属材料的高导热等优良特性，可显著改善钛合金的耐磨性及其他表面性能，因此在钛合金表面形成钛的硼化物则成为改善钛合金性能的重要途径之一。钛合金表面的原位改性可以使表面改性层与基体间无明显界面，且可处理具有复杂结构的特异性结构部件，改性层与基体冶金结合，可显著提高结合力，在诸多改性方法中，渗硼法不需要专用的设备、操作简便、推广容易，可在钛合金基体表面得到原位冶金结合的硼钛化合物层，但渗层厚度薄、效率低，且由于基体材质的限制，有时得到单相TiB，有时得到双相渗层，为了稳定其渗硼效果，并且得到工业应用更为可靠的双相梯度渗层结构，本发明采用“PVD+渗硼法”来进行改善。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可调厚度和生长方向的硼钛复合层的制备方法。所述制备方法，具体为：预先在钛合金基体表面沉积一层纯钛层，然后再经渗硼法，生长获得硼钛复合层。

为了获得稳定的双相硼钛复合层，本发明采用先在钛合金基体表面沉积一层纯钛层，并且保持纯钛层具有一定的孔隙率，然后将其放置于坩埚中密封进行渗硼处理，通过对试验对比分析，发现活性硼原子在渗硼过程中可通过纯钛层的孔隙，扩散至钛合金基体中，一方面与基体的Ti形成TiB，另一方面扩散至孔隙中的多余活性[B]会与纯钛层中的Ti化合成TiB₂，随着渗硼时间的延长，TiB晶须不断生长，大量活性硼原子也促进了表面TiB₂的增长，最终获得稳定的双相硼钛化合物层。

其中，所述纯钛层的厚度为从纳米级、微米级到毫米级均可调式；

所述纯钛层的孔隙为3％～12％。

本发明提供一种PVD+渗硼法制备硼钛化合物层。所述PVD法，将PVD具有的孔隙与渗硼时活性硼原子的高温扩散特性相结合，开发出两种工艺复合条件下制备的钛合金渗硼层具有稳定的双相性。

所述沉积的方法以PVD法具体为：氩气气氛中，在所述钛合金基体的表层，以钛靶电流从3～5A逐渐减少至0.15～0.5A，碳靶电流从0A逐渐增至0.2～0.6A，氩气流量在20～40sccm的条件，沉积2～6h，获得沉积了纯钛层的钛合金基体。

本发明为了避免其他杂质和因素的影响，所述钛合金基体预先需要进行深度清洁；所述深度清洁包括除油、表面打磨、超声清洁、等离子体清洗；

优选的，所述深度清洁具体为：

1)将金属洗净剂与水混合配制成浓度为3～10％的溶液，升温至55～60℃，将所述钛合金基体浸入金属洗净剂溶液中，浸泡除油1～2小时；

2)依次利用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#型号的水磨砂纸对所述钛合金基体进行打磨；

3)以丙酮为清洗剂，超声清洗所述钛合金基体30～60min，然后再采用去离子水超声清洗30～60min；

4)将所述钛合金基体置于PVD装置中，抽真空至真空度为2～20帕起辉，随后等离子体清洗3～10min。