一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法。

背景技术

钛合金具有低密度、高比强度、良好的机械性能以及耐腐蚀性能，近年来得到越来越广泛地应用，但钛合金的抗磨性差且对粘着磨损和微动疲劳损伤十分敏感，这些特性使得钛合金构件的安全性和可靠性大大降低。因此，钛合金表面强化改性处理的研究成为研究焦点。现有技术包括阳极处理、化学镀镍、离子注入、等离子氮化、激光氮化、激光合金化、电子束氮化、金刚石涂层、等离子喷涂、物理气相沉积等。但普遍存在的问题是，表面改性层或涂层的厚度较薄，仅在低载时有减磨作用，而在高载、高速和高温等严酷工况下往往会因应力或热应力导致涂层出现裂纹甚至剥落而失效。

通过复合表面改性技术可以对涂层厚度、结合力等做出了许多改进。CN101444149A公开了一种用热等离子体在金属上生成功能渐变的复合表面层的方法，采用该方法可以使等离子体流迅速在基材表面升温至接近熔点，高能离子态气体原子与基材反应，从而在基材表面形成结合力较好的化合物层。CN103643243A公开了一种金属材料高强韧化表面改性方法，该方法通过激光喷丸与磁场渗氮两种工艺处理，得到一种表面晶粒细小、渗氮层较深、强韧性均较好的复合表面改性层。CN112323013A公开了一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法，该方法通过高能喷丸及离子渗氮工艺制备渗氮层，最后在表面沉积复合表面强化层，制成由15μm～100μm厚的纳米化离子渗氮层，以及3μm～8μm厚的PVD硬质膜层构成的复合改性层。CN112410722A公开了一种基于冷成型复合低温氮化处理的α+β型钛合金及其氮化层形成方法，采用淬火及冷成型变形处理获得更多的位错缺陷，再结合低温氮化处理及热扩散处理，获得厚度大于1mm的超厚氮化层。CN106480399A公开了一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，通过超声深滚纳米化加工反复处理钛合金表面，再结合辉光离子渗氮处理工艺，制备梯度纳米结构氮化层，增强了材料表面的耐蚀性、耐磨性及抗疲劳性能。现有的表面处理方法各有所长，但均体现出渗层厚度、渗层硬度、结合力三者难以兼容的特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法。该方法将高能喷丸与网格涂层预处理、离子渗氮相结合，通过高能喷丸在钛合金表面形成细化层，降低了离子渗氮阻力，提高含N化合物的形核率，从而提高表面改性层厚度并增强其耐磨性，同时形成表层硬度的梯度过渡，提高了渗氮层与钛合金基体的结合力，并通过网格涂层预处理以形成网状表面渗氮层，由于网格状结构优势，在渗氮过程中形成的表面残余应力小，降低了因渗层硬度高、脆性高、残余应力大导致的高速摩擦易脱落等问题，进一步提高了改性层的耐磨性，解决了现有技术中渗层厚度、渗层硬度、结合力三者难以兼容的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法，其特征在于，该方法的具体过程为：对钛合金依次进行表面预处理、高能喷丸、网格涂层预处理和离子渗氮处理，在钛合金表面形成网格状梯度表面改性层。

上述的一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法，其特征在于，所述表面预处理的过程为：将钛合金表面磨光后采用乙醇进行清洁处理，且经表面预处理后的钛合金表面粗糙度小于1.6μm。通过上述表面预处理降低钛合金表面粗糙度，为后续经高能喷丸获得相对平整的喷丸变形层提供基础保障。

上述的一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法，其特征在于，所述高能喷丸的压强为0.4MPa～0.6MPa，喷丸时间为15min～30min。通过控制高能喷丸的工艺参数，以获得最优的喷丸变形层深度及表面平整度匹配。

上述的一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法，其特征在于，所述高能喷丸采用的弹丸为直径0.3mm的铸钢丸，喷丸速度为40m/s，覆盖率为200％。该优选的弹丸相对常规喷丸粒径较小，尽可能保证了变形表面平整。

上述的一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法，其特征在于，所述网格涂层预处理的过程为：在高能喷丸后的钛合金表面涂覆耐1200℃有机硅涂料形成网格状耐高温涂层，待干燥后重复涂覆工艺2～3次至涂层均匀，然后置于电热处理炉中在250℃加热10h，取出后空冷。通过重复涂覆形成具有一定厚度且均匀的网格状耐高温涂层，保证了后续的渗氮效果，有利于获得均匀的渗层。

上述的一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法，其特征在于，所述涂覆前对高能喷丸后的钛合金表面进行磨光处理，采用2000目砂纸将高能喷丸后的钛合金表面打磨至光滑平整，并在磨光表面覆盖网格纸；所述网格纸具有设计尺寸的镂空网格。通过磨光处理提高钛合金表面光洁度，保证后续渗氮的深度和均匀性。

上述的一种钛合金网格状梯度表面改性层的制备方法，其特征在于，所述离子渗氮处理采用辉光等离子渗氮工艺，采用的设备为离子渗氮炉，电压为400V～600V，真空度不高于0.1Pa，渗氮气体由流量比为1:1的氮气和氩气组成，且渗氮气体通过率为5L/min～10L/min，氮化温度为600℃～800℃，时间12h～20h。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过高能喷丸在钛合金基体表面形成晶粒梯度细化层，产生大量的晶界和其他结构缺陷，伴随着晶格畸变和缺陷密度的增加，有效降低后续离子渗氮的动力学阻力，从而在钛合金表面易于形成高浓度N原子聚集，大幅提高含N化合物的形核率，进而提高渗氮深度，增强表面改性层的耐磨性；同时，高能喷丸形成的纳米细化层提高了钛合金基体浅表层的硬度，从而在后续离子渗氮处理后形成表层硬度的梯度过渡，使得表面硬化层具有深度方向的梯度硬度结构特点，大大提高了表面改性层与钛合金基体的结合力，降低因基体与涂层硬度差异大而造成涂层剥落的风险。

2、渗氮层强度大，脆性高，残余应力大，在高载荷或高摩擦速度下，由于渗氮层中含有的TiN化合物硬脆的本质特征，越厚的氮化物层对裂纹更加敏感，裂纹萌生后容易沿晶界拓展，导致化合物层的破损或剥落，对此，本发明采用网格涂层预处理，结合后续离子渗氮以形成网状表面渗氮层，利用其结构优势，降低渗氮过程中的残余应力，使得表面渗氮层的碎裂情况优于常规渗氮处理的工件；同时，网格状表面改性层留存了部分基体表面，保留了钛合金基体的优势，因此在抗疲劳断裂等方面具有更优的应用前景。

3、相较于传统离子渗氮处理表面，本发明在钛合金表面制备的网格状梯度表面改性层的渗层均匀，不易剥落，耐蚀性好，具有更优异的表面硬度和耐磨性能；同时，由于网格状表面耐高温涂层隔绝了部分H原子扩散通道，钛合金基体内H原子渗入较少，从而保持了钛合金基体的高性能水平，不会因为渗氮过程中H原子的大量引入而导致钛合金吸氢脆化，使得钛合金的塑性保持较高水平。

4、本发明采用高能喷丸结合网格渗氮工艺制备得到具有网格状表面渗氮层以及纵向硬度梯度分布的特殊双重结构复合表面改性层，实现了钛合金渗氮层的深度及表面双向结构性设计，可推广应用至其他钛合金结构表面处理领域。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备的TC4钛合金板材网格状梯度表面改性层的实物图。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TC4钛合金板材进行表面预处理：将TC4钛合金板材表面磨光后采用乙醇进行清洁处理，且经表面预处理后的TC4钛合金板材表面粗糙度小于1.6μm；

步骤二、将步骤一中经表面预处理后的TC4钛合金板材进行高能喷丸处理：高能喷丸的压强为0.6MPa，喷丸时间为30min，采用的弹丸为直径0.3mm的铸钢丸，喷丸速度为40m/s，覆盖率为200％；

步骤三、将步骤二中经高能喷丸处理后的TC4钛合金板材进行网格涂层预处理：对高能喷丸后的TC4钛合金板材表面进行磨光处理，采用2000目砂纸将高能喷丸后的TC4钛合金板材表面打磨至光滑平整，并在磨光表面覆盖网格纸，然后在其上刷涂耐1200℃有机硅涂料形成网格状耐高温涂层，待干燥后重复涂覆工艺2次至涂层均匀，再置于电热处理炉中在250℃加热10h，取出后空冷；所述网格纸具有设计尺寸的镂空网格；

步骤四、将步骤三中经网格涂层预处理后的TC4钛合金板材进行离子渗氮处理：离子渗氮处理采用辉光等离子渗氮工艺，采用的设备为离子渗氮炉，电压为400V，真空度不高于0.1Pa，渗氮气体由流量比为1:1的氮气和氩气组成，且渗氮气体通过率为5L/min，氮化温度为720℃，时间为12h，在TC4钛合金板材表面形成网格状梯度表面改性层，如图1所示。

经检测，本实施例制备的网格状梯度表面改性层表面硬度为982HV；在加载载荷100N，转速100r/min，时间20min，长城润滑油介质条件下检测表面强化层磨损失重1.1mg；改性处理后，TC4钛合金板材基体的抗拉强度为951MPa，屈服强度为899MPa，延伸率为17.5％。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TC29钛合金板材进行表面预处理：将TC29钛合金板材表面磨光后采用乙醇进行清洁处理，且经表面预处理后的TC29钛合金板材表面粗糙度小于1.6μm；

步骤二、将步骤一中经表面预处理后的TC29钛合金板材进行高能喷丸处理：高能喷丸的压强为0.4MPa，喷丸时间为15min，采用的弹丸为直径0.3mm的铸钢丸，喷丸速度为40m/s，覆盖率为200％；

步骤三、将步骤二中经高能喷丸处理后的TC29钛合金板材进行网格涂层预处理：对高能喷丸后的TC29钛合金板材表面进行磨光处理，采用2000目砂纸将高能喷丸后的TC29钛合金板材表面打磨至光滑平整，并在磨光表面覆盖网格纸，然后在其上刷涂耐1200℃有机硅涂料形成网格状耐高温涂层，待干燥后重复涂覆工艺3次至涂层均匀，再置于电热处理炉中在250℃加热10h，取出后空冷；所述网格纸具有设计尺寸的镂空网格；

步骤四、将步骤三中经网格涂层预处理后的TC29钛合金板材进行离子渗氮处理：离子渗氮处理采用辉光等离子渗氮工艺，采用的设备为离子渗氮炉，电压为600V，真空度不高于0.1Pa，渗氮气体由流量比为1:1的氮气和氩气组成，且渗氮气体通过率为10L/min，氮化温度为800℃，时间为20h，在TC29钛合金板材表面形成网格状梯度表面改性层。

经检测，本实施例制备的网格状梯度表面改性层表面硬度为998HV；在加载载荷100N，转速100r/min，时间20min，长城润滑油介质条件下检测表面强化层磨损失重3.2mg；改性处理后，TC29钛合金板材基体的抗拉强度为1052MPa，屈服强度为984MPa，延伸率为10％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。