钛合金的表面处理

任何材料都有它的优缺点,为了进一步达到提高钛合金耐蚀性、耐磨性、抗微动磨损性、高温抗氧化性等目的,对钛合金进行表面处理是进一步扩大钛合金使用范围的有效途径,可以这么说目前对金属的表面处理方法几乎全部应用到了钛合金的表面处理上,包括金属电镀、化学镀、热扩散、阳极氧化、热喷涂、低压离子工艺、电子和激光的表面合金化、非平衡磁控溅射镀膜、离子氮化、PVD法制膜、离子镀膜、纳米技术等等。总体来看在钛合金表面形成TiO、TiN、TiC渗镀层及TiAlN多层纳米膜仍然是重点。

电镀:在钛合金表面镀镍、镀硬铬、镀银等。镀银目的是提高钛合金的导电性和钎焊性。钛合金基体上有一层致密的氧化物薄膜,电镀不易进行,所以电镀前必须对钛合金表面进行预处理。

交流微弧氧化:微弧氧化(MAO)是一项在金属表面生长氧化物陶瓷膜的新技术。它从阳极氧化发展而来,但它施加了几百伏的高压,突破了阳极氧化对电压的限制。该技术通过微弧放电区瞬间高温高压烧结直接把基体金属变成氧化物陶瓷,并获得较厚的氧化物膜。对钛合金表面微弧氧化膜,获得膜的硬度高并与金属基体结合良好。改善了钛合金表面的抗磨损、抗腐蚀、耐热冲击及绝缘等性能,在许多领域具有应用前景。

表面氧化处理:一般钛和钛合金较之常用的生物体用合金CoCr合金和316L不锈钢的耐磨性都较差,而且所产生的磨损粉在生物体内都有可能产生不良影响。因此,新开发的一些生物体用钛合金在生物体内使用之前往往都要采取适当的表面处理,以提高其抗磨性。为此,日本丰桥技术科学大学和大同特殊钢公司研究了一种新开发的生物体用β型钛合金Ti29Nb13Ta46Zr(简称TNTZ合金),采取表面氧化处理提高其表面耐磨性。

离子注入:离子注入与其它表面处理技术

相比显示了诸多优点,与物理或化学气相沉积相比,主要优点在:

①膜与基体结合好,抗机械、化学作用不剥落能力强;

②注入过程不要求升高基体温度,从而可保持工件几何精度;

③工艺重复性好等。许多研究者报道了氮离子注入对Ti6Al4V合金表面成分、组织结构、硬度及摩擦学性能有良好改善效果。

TiC也是超硬相,故钛合金经离子注入碳也同样可以强化钛合金表面。但是由于等离子体基离子注入并非连续过程,施加每一负脉冲电位时,随着脉冲电位由零下降至谷值,再回升至零,发生着溅射和注入两个过程。如果等离子体中含有金属或碳离子时,在脉冲电位为零时,在一定条件下还会在表面形成单一碳沉积层,在一定脉冲电压(10~30kV)作用下,该单一碳层的结构为类金刚石碳(DLC)。从而可以获得比注氮层摩擦系数更低,耐磨性更好的表面改性层。表面单一碳层经实验确定其为DLC膜。经这样处理的钛合金,表面硬度提高4倍,在同种材料构成摩擦副,干摩擦条件下,摩擦系数由0·4下降至0·1,耐磨性较未离子注入的提高30倍以上。

离子束增强沉积(IBED):利用离子束增强沉积(IBED)方法制备了CrC硬质膜,可用于钛合金的微动磨损防护。研究表明,CrC显示出最好的微动疲劳特性;而喷丸后涂覆的CrC膜则显示出了最高的微动磨损抗力。

涂层技术:涂层技术是改善钛合金抗氧化性的有效方法。美国一家公司研究出一种改善钛合金抗氧化性能的新方法,在钛合金基体上加一种均匀的铜合金涂层。涂层所用的铜合金可从以下三种组成中选取一种:1·铜+7%铝;2·铜+4·5%铝;3·铜+5·5%铝+3%硅。涂层是在基体温度低于619℃的条件下进行涂覆的。

激光淬火:据报道钛合金TC11微动磨损量随法向载荷和微动幅度的增大而增加。激光淬火后钛合金TC11抗微动磨损能力有所提高,其提高幅度与微动幅度大小,抗微动磨损能力的改善是激光淬火使组织细化、硬度提高的结果。

激光熔覆:航空发动机钛合金镍基合金摩擦副的接触磨损是航空发动机使用中的一大难题,利用激光熔覆技术可获得优良的涂层,为燃气涡轮发动机零件的修复开创了一条新途径,熔覆合金粉末是CoCrW和WC的机械混合物,提高了高温耐磨和抗腐蚀性能,技术特点是制备时间短,质量稳定,并消除了由于热影响可能产生的裂纹问题。

离子轰击:TC11钛合金经氮离子轰击表面处理后,表面可获得由TiN和Ti2N组成的改性层,硬度为600~800HV;表面硬度的提高,有利于改善TC11钛合金的耐磨性。

等离子渗氮与喷丸处理:利用直流脉冲等离子电源装置对Ti6Al4V钛合金表面渗氮处理,采用喷丸形变强化(SP)对渗氮层进行后处理,在钛合金表面获得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相组成的渗氮层,该改性层能够显著地提高钛合金常规磨损和微动磨损(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力。渗氮层的减摩和抗磨性能与SP引入的表面残余压应力协同作用,使钛合金FF抗力超过了SP单独作用。提高渗氮层韧度对改善钛合金FF和FW性能均十分重要。

DLC膜:复合碳膜具有独特的物理、力学和化学性能,它已被作为众多的研究对象。利用射频等离子体增强化学气相沉积法制备类金刚石薄膜,其主要目的也是为提高钛合金的表面硬度和耐摩擦性。试验结果表明膜中钛含量超过9%,膜的硬度将会下降,且膜基结合力强度也是有限的。

液相沉积:TC4表面液相沉积生物陶瓷涂层。近年来,通过化学处理,在钛合金基体植入件表面制取生物陶瓷涂层的探索性研究已有公开的报道。如用高浓度的NaOH或H2O2处理工艺,提出的两步碱处理工艺,还有人引入了乙烯基三乙氧基硅烷和聚丙烯酸钠等调制剂来获得生物陶瓷涂层。对TC4合金进行简单的酸碱预处理后,再在一种仿体液的快速钙化溶液(FCS)中浸泡沉积,以期获得梯度结合的生物活性好的钛基HA生物陶瓷涂层复合材料。该方法的研究对钛合金直接作为硬组织植入材料应用有着十分重要的理论意义和潜在的经济价值。