材料表面化学 报告

材料表面化学

题目：钛合金表面处理技术姓名：高学成

学号：S2*******

单位：北京有色金属研究总院完成时间：2013年11月22日

钛合金表面处理技术

摘要：钛及钛合金具有高比强度、优良的耐蚀性、良好的高温性能,在现代航空航天、军事工业、民用工业和生物医学中占据越来越重要的位置。综述了钛合金表面处理的各种方法，如电镀、化学镀、热扩散、微弧氧化、等离子喷涂、离子注入、气相沉积法、激光表面合金化和激光熔覆、双层辉光离子渗镀和加弧辉光离子渗镀、纳米化技术、液相沉积、离子轰击等。并详细介绍了生物医用钛合金的两种表面处理方法——喷砂酸蚀和激光表面重熔。

关键词：钛合金；表面处理；生物医用；喷砂酸蚀;激光重熔

Surface Treatment Techniques for

Titanium Alloys

Abstract: Titanium and titanium alloys possessed many advantages, including high strength and low density, good corrosion-resistance and good high temperature properties.A variety of surface treatment methods for titanium alloys,such as electroplating,electroless plating,thermal diffusion,microarc oxidation,plasma spraying,ion implantation,vacuum vapor deposition,laser beam surface alloying and laser cladding,glowing discharge ionized and double layer glow plasma surface modification,nanostructure surface treatment,liquid phase deposition and ion bombardment,etc.,were summarized.

Key Words: Titanium Alloy; Surface Treatment;Sandblasting and Acid-Etching; Laser

1前言

钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀性、良好的高温性能等,是新兴的结构和功能材料。目前钛合金主要用于航空航天和军事工业上,以减轻结构重量、提高推重比[1-2],用量约占钛总产量的70%,近年来钛在一般工业(航海、石油、化工、轻工、冶金等)和民用领域(汽车、建筑、医学等)的应用也得到了很大的发展。今后钛及钛合金的应用将得到更大的扩展。但是,钛合金的普遍缺点就是硬度低、耐磨性能差。纯钛的硬度约为150-200HV,钛合金通常不超过350HV。这样的硬度值在很多情况下不能满足实际生产应用的要求。钛合金的低摩擦学属性可归因于两个主要因素:一是低塑性剪切抗力和低加工硬化率;二是表面氧化物的保护作用很低[3-5]。一般情况下由于钛及钛合金表面生成一层致密的氧化膜起到了防腐蚀的作用,但是在氧化膜破裂或者更加恶劣的环境以及发生缝隙腐蚀的情况下钛合金的耐腐蚀性能也将大大降低[6]。

上述缺点都可以通过适当的表面处理得以改善。钛及钛合金的表面处理技术几乎是所有表面它大致经历了三个阶段:一是以电镀、热扩散为代表的传统表面技术阶段;二是以等离子体、离子束、电子束的应用为标志的现代表面技术阶段;三是现代表面技术的综合应用和膜层结构设计阶段[7]。这些表面处理方法都有自身固有的特点,应根据钛合金的使用要求和条件加以选择。本文综述了钛合金表面处理的方法、特点,及近几年的研究进展。

2 钛合金表面处理技术

2.1 电镀和化学镀

在钛合金表面镀Ni、Ni-Cr合金，Ni-P合金能提高其耐磨性。在钛合金上直接电镀的主要困难在于镀层和基体的结合力差。为了得到一种结合力良好的镀层，常用的电镀工艺流程为: 除油→清洗→浸蚀→清洗→前处理→清洗→电镀→热处理[8]。

为此，国内外对电镀、化学镀的研究主要集中在镀前处理(如浸蚀) 和镀后热处理。刘毅等［9］对钛合金化学酸洗工艺流程进行了研究，介绍了熔融盐工序及酸洗工序过程，并对酸洗工艺条件和常见缺陷提出了解决办法。Wallace［10］采用了一种含HF和甲酰胺或二甲替酰胺的溶液进行前处理活化，在钛基表面获得一层令人满意的TiH

膜。经过活化膜处理的钛合金表面直接进行化学沉积或

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电沉积，均能得到结合力良好的镀覆层。张柯［11］采用一种浸锌活化工艺。该法是在去除氧化膜之后形成新的氧化膜之前沉积上浸锌层，浸锌层既能阻挡基体被氧化又充当镀层的过渡层，还起到活化的作用。

Brunelli等人研究了Ti-6Al-4V合金镀Ni后热处理对镀层结合力的影响，结果表明800℃处理40h后表面σ达900HV，硬化层δ大于300μm，范洪富等对钛基化学镀Ni-P合金镀层热处理，250℃处理1h后镀层耐腐蚀性能优于耐磨性能;400℃处理1h后耐磨性优于耐腐蚀性。

2.2 热扩散

热扩散在钛合金表面处理中的应用主要是包埋法。包埋法是将前处理后的试样埋在包埋粉料中并放在真空炉中升温至1200℃灼烧，取出冷却即可在试样表面得到包覆涂层。此法最大特点是可以对复杂形状的零件进行处理，得到厚度均匀且与基体与涂层间不存在明显界面、结合强度高的化合物层。

何利舰等用碳化硼作渗透剂对Ti-6Al-4V合金进行了表面处理。在氩气保护下加热到1000℃保温得到了约300μm的化合物层，合金表面σ从HV提高到664HV，并具有良好的硬度梯度，化合物层和基体间无裂纹、气孔、空洞等缺陷，结合情况良好。

2.3 热喷涂技术

在钛表面成功应用的热喷涂技术主要有等离子喷涂和超音速火焰喷涂技术。

2.3.1等离子喷涂

等离子喷涂是利用离子枪产生的等离子流将生物陶瓷粉料高温(高于1000℃) 加热熔融或接近熔融状态高速喷射到预处理之后的钛合金得到涂层，该法是制备功能梯度材料的重要方法之一。

Zhao等用等离子喷涂对Ti-6Al-4V合金进行了处理，微观分析表明在喷涂过程中原位形成TiN，此涂层能显著提高钛合金耐磨性。尹钟大等用离子喷涂法在钛合金表面制备了系列功能梯度涂层，此涂层与基体除机械咬合方式结合外还