钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法

1.本发明属于金属表面处理方法技术领域，具体涉及钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法。


背景技术：

2.钛合金因密度小、比强度高、耐蚀性能优异等而在航空航天、武器装备、生物医学等领域广泛应用，但表面硬度低、摩擦系数高、耐磨性差等缺点严重制约了其在摩擦工况下的使用，因此，提高钛合金表面的减摩、抗磨性能对扩展钛合金应用范围、延长钛合金零部件服役寿命具有重要的意义。表面微织构具有减摩作用，但织构边缘应力集中大、磨损严重；而热氧化技术是一种能够提高钛合金耐磨性的简单、经济的方法，但氧化层的摩擦系数大，且较易脱落、分层，甚至开裂。将表面微织构与热氧化技术复合，织构的存在有利于提高氧化层的深度和附着力，减少氧化膜的脱落及分层现象，而氧化膜的存在能够提高表面硬度、延长织构的使用寿命。
3.研究表明，表面微织构与热氧化复合处理虽能显著提高钛合金的耐磨性，但未必能同时降低摩擦系数，利用微织构与热氧化的形性复合处理实现同时减摩、抗磨存在较大难度，主要取决于微织构与热氧化能否实现协同作用，涉及的重要参数较多，如微织构的直径、面密度、深度等，热氧化的温度和时间等。
4.此外，当前钛合金表面微织构的加工方法以激光加工技术为主，但材料被高温烧蚀去除时容易在微坑边缘产生凸起、熔渣等材料堆积，并导致微坑底部凹凸不平、粗糙度极大，还会在加工区域引入较大的热应力、热损伤等，且在大表面积、规模化的微织构加工中效率较低、成本高昂。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，解决现有技术存在的微织构与热氧化复合处理难以同时提高钛合金的减摩、抗磨性能的问题。
6.本发明的技术方案是，钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，具体按照以下步骤实施：
7.步骤1、以感光蓝油作为抗蚀刻剂，采用湿法刻蚀技术在钛合金表面加工微织构；
8.步骤2、对所述步骤1中得到的织构化钛合金进行热氧化处理，获得形性复合处理的钛合金。
9.本发明的特点还在于：
10.步骤1具体按照以下步骤实施：
11.步骤1.1、工件表面预处理并涂覆蓝油；
12.步骤1.2、进行前烘操作和自制掩模；
13.步骤1.3、将步骤1.2中的掩模曝光并进行显影；
14.步骤1.4、进行后烘操作和刻蚀；
15.步骤1.5、对刻蚀后的工件进行脱模。
16.步骤1.1具体为：将钛合金工件进行机械抛光，清洗干净后吹干备用，然后用刮涂或喷涂方法，将感光蓝油均匀涂覆在吹干后的钛合金工件表面，蓝油厚度为0.2mm～0.6mm，涂覆后在阴凉处静置不小于30min。
17.步骤1.2具体为：将涂覆感光蓝油的钛合金工件转移至温度为50℃～60℃的干燥箱中保温24～48h，直至感光蓝油干燥，然后根据所需制备的微织构参数，绘制出二维微织构图形，然后利用打印机制作菲林胶片掩模板，需要织构部分为黑色吸光层，其余部分为透光层。
18.步骤1.3具体为：将制作的掩模放置于完成前烘的工件之上，并用有机玻璃压紧，再用两个或多个紫外线灯曝光4min～8min，曝光距离10cm～20cm，然后将完成曝光的工件在显影液中浸泡1min，再将其取出，用蘸有显影液的软毛刷在感光蓝油表面进行刷洗，直至所需的微织构形状完全显露出来且无显影残留，完成显影后将工件用去离子水冲洗两次。
19.步骤1.4具体为：将完成显影的工件置于温度为50℃～60℃的干燥箱中保温20min～30min，再将烘干的工件置于钛合金刻蚀液中刻蚀，完成刻蚀后将工件用去离子水冲洗两次。
20.步骤1.5具体为：完成刻蚀后的工件置于脱模液中浸泡5～10min，再用软毛刷轻刷表面以去除蓝油，完成脱模后将工件用去离子水冲洗两次并吹干；脱模液为naoh与去离子水按重量比1:20所配置的氢氧化钠溶液，使用温度为38℃～45℃。
21.显影液为naco3与去离子水按重量比1:100所配置的碳酸钠溶液，使用温度为25℃～30℃。
22.步骤2具体为：织构化钛合金工件置于加热炉中，在700℃下保温7小时，然后随炉冷却至室温。
23.本发明具有如下有益效果：
24.1)本发明能够实现微织构与热氧化的协同作用，可同时提高钛合金表面的减摩、抗磨性能，有助于扩展钛合金的应用范围、延长钛合金零部件在摩擦工况下的使用寿命。
25.2)本发明采用基于感光蓝油的蚀刻微织构方法在钛合金表面加工微织构，尤其是在大表面积、规模化的微织构加工中，具有成本低、效率高的极大优势，且织构凹坑的底部平坦，无热应力和热损伤等。
26.3)本发明将基于感光蓝油的低成本微织构加工方法与简单、经济的热氧化处理相结合以实现钛合金表面的形性复合处理，具有设备简单、成本低的优势，且适合批量化生产。
附图说明
27.图1为本发明蚀刻微织构与热氧化复合处理后的表面形貌图；
28.图2为本发明复合处理后的表面硬度示意图；
29.图3为本发明复合处理后的摩擦系数曲线图；
30.图4为本发明复合处理后的磨痕形貌。
具体实施方式
31.下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细的说明。
32.钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，具体按照以下步骤实施：
33.步骤1、以感光蓝油作为抗蚀刻剂，采用湿法刻蚀技术在钛合金表面加工微织构；
34.步骤1具体按照以下步骤实施：
35.步骤1.1、工件表面预处理并涂覆蓝油；
36.步骤1.1具体为：将钛合金工件进行机械抛光，清洗干净后吹干备用，然后用刮涂或喷涂方法，将感光蓝油均匀涂覆在吹干后的钛合金工件表面，蓝油厚度为0.2mm～0.6mm，涂覆后在阴凉处静置不小于30min；
37.步骤1.2、进行前烘操作和自制掩模；
38.步骤1.2具体为：将涂覆感光蓝油的钛合金工件转移至温度为50℃～60℃的干燥箱中保温24～48h，直至感光蓝油干燥，然后根据所需制备的微织构参数，绘制出二维微织构图形，然后利用打印机制作菲林胶片掩模板，需要织构部分为黑色吸光层，其余部分为透光层；
39.步骤1.3、将步骤1.2中的掩模曝光并进行显影；
40.步骤1.3具体为：将制作的掩模放置于完成前烘的工件之上，并用有机玻璃压紧，再用两个或多个紫外线灯曝光4min～8min，曝光距离10cm～20cm，然后将完成曝光的工件在显影液中浸泡1min，再将其取出，用蘸有显影液的软毛刷在感光蓝油表面进行刷洗，直至所需的微织构形状完全显露出来且无显影残留，完成显影后将工件用去离子水冲洗两次；
41.显影液为naco3与去离子水按重量比1:100所配置的碳酸钠溶液，使用温度为25℃～30℃；
42.步骤1.4、进行后烘操作和刻蚀；
43.步骤1.4具体为：将完成显影的工件置于温度为50℃～60℃的干燥箱中保温20min～30min，再将烘干的工件置于钛合金刻蚀液中刻蚀，完成刻蚀后将工件用去离子水冲洗两次；
44.钛合金刻蚀液为按重量比，氢氟酸：硝酸：十二烷基苯磺酸钠：去离子水＝32：55：0.1：413，使用温度在25℃～30℃内；
45.步骤1.5、对刻蚀后的工件进行脱模；
46.步骤1.5具体为：完成刻蚀后的工件置于脱模液中浸泡5min～10min，再用软毛刷轻刷表面以去除蓝油，完成脱模后将工件用去离子水冲洗两次并吹干；脱模液为naoh与去离子水按重量比1:20所配置的氢氧化钠溶液，使用温度为38℃～45℃；
47.脱模液是naoh与去离子水按重量比1:20所配置的氢氧化钠溶液，使用温度为38℃～45℃；
48.步骤2、对所述步骤1中得到的织构化钛合金进行热氧化处理，获得形性复合处理的钛合金；
49.步骤2具体为：织构化钛合金工件置于加热炉中，先以10℃/min的加热速率从室温加热到500℃，并在500℃保温十分钟，然后以5℃/min的加热速率加热到700℃，在700℃下保温7小时，之后随炉冷却至室温。
50.实施例1
51.对tc4钛合金圆片试样(尺寸φ30
×
8mm)表面进行形性复合处理，具体按照以下步骤实施：
52.步骤1、以感光蓝油作为抗蚀刻剂，采用湿法刻蚀技术在钛合金表面加工微织构；
53.步骤1.1、工件表面预处理和涂覆蓝油：将tc4钛合金工件进行机械抛光，依次用丙酮、酒精超声清洗干净，吹风干燥后备用；然后用刮涂方法，将感光蓝油均匀涂覆在抛光后的tc4钛合金工件表面，蓝油厚度为0.2mm，涂覆后在阴凉处静置30min；
54.步骤1.2、前烘并自制掩模：将涂覆感光蓝油的tc4钛合金工件转移至干燥箱中，温度55℃，保温24h，直至感光蓝油干燥；再利用cad软件，绘制出直径为300μm、面密度为26％的二维微织构图形，然后利用普通打印机制作菲林胶片掩模板，需要织构部分为黑色吸光层，其余部分为透光层；
55.步骤1.3、曝光并显影：将制作的掩模放置于完成前烘的tc4工件之上，并用有机玻璃压紧，然后用两个紫外线灯曝光4min，曝光距离16cm；再将完成曝光的tc4工件在显影液中浸泡1min，然后将其取出，用蘸有显影液的软毛刷在感光蓝油表面进行刷洗，直至所需的微织构形状完全显露出来且无显影残留，完成显影后将工件用去离子水冲洗两次；
56.显影液是naco3与去离子水按重量比1:100所配置的碳酸钠溶液，使用温度为25℃；
57.步骤1.4、后烘和刻蚀：将完成显影的tc4工件置于温度为55℃的干燥箱中保温20min；将烘干的tc4工件置于钛合金刻蚀液中刻蚀，刻蚀时间为6min，完成刻蚀后将工件用去离子水冲洗两次；
58.钛合金刻蚀液：按重量比，氢氟酸：硝酸：十二烷基苯磺酸钠：去离子水＝32：55：0.1：413；使用温度在25℃，对tc4钛合金的刻蚀速率约为3.5μm/min；
59.步骤1.5、脱模：将完成刻蚀后的工件置于脱模液中浸泡5min，再用软毛刷轻刷表面以去除蓝油，完成脱模后将工件用去离子水冲洗两次并吹干；
60.脱模剂是naoh与去离子水按重量比1:20所配置的氢氧化钠溶液，使用温度为38℃；
61.步骤2、对步骤1中得到的织构化tc4钛合金进行热氧化处理，获得形性复合处理的tc4钛合金；
62.步骤2具体为：将步骤1中得到的织构化tc4钛合金工件置于箱式电阻炉中，先以10℃/min的加热速率从室温加热到500℃，并在500℃保温十分钟，然后以5℃/min的加热速率加热到700℃，在700℃下保温7小时，之后随炉冷却至室温。
63.本实施例的形性复合处理具体为“面密度26％的微织构+热氧化”，其微观形貌如附图1d所示；维氏硬度测试结果(附图2)表明，复合处理后的表面硬度分别是tc4基材和单一热氧化层的2.69倍和1.24倍；磨损测试结果表明(附图3)，复合处理后的摩擦系数(0.21)分别比tc4基材(0.54)和单一热氧化处理(0.38)降低了61.1％和44.8％；附图4d表明，与gcr15钢球对磨时，tc4基材的磨粒磨损严重，而单一热氧化层及复合处理后的表面几乎未被磨损，以对磨副的粘着转移为主，并伴随着氧化磨损。此外，与单一热氧化层相比，复合处理后表面的粘着磨损明显减轻。
64.实施例2
65.对tc4钛合金圆片试样(尺寸φ30
×
8mm)表面进行形性复合处理，具体步骤同实施
例1，不同之处如下：
66.步骤1.2中，制作面密度为20％的菲林胶片掩模板。
67.本实施例的形性复合处理具体为“面密度20％的微织构+热氧化”，其微观形貌如附图1c所示；维氏硬度测试结果(附图2)表明，复合处理后的表面硬度分别是tc4基材和单一热氧化层的2.65倍和1.22倍；磨损测试结果表明(附图3)，复合处理后的摩擦系数(0.46)比tc4基材(0.54)降低了14.8％，比单一热氧化处理(0.38)提高了21.1％；附图4c表明，与gcr15钢球对磨时，复合处理后表面也几乎未被磨损，以对磨副的粘着转移为主，并伴随着氧化磨损。该复合处理的粘着磨损程度与单一热氧化层相当。
68.实施例3
69.对tc4钛合金圆片试样(尺寸φ30
×
8mm)表面进行形性复合处理，具体步骤同实施例1，不同之处如下：
70.步骤1.2中，制作面密度为15％的菲林胶片掩模板。
71.本实施例的形性复合处理具体为“面密度15％的微织构+热氧化”，其微观形貌如附图1b所示；维氏硬度测试结果(附图2)表明，复合处理后的表面硬度分别是tc4基材和单一热氧化层的2.52倍和1.17倍；磨损测试结果表明(附图3)，复合处理后的摩擦系数(0.30)分别比tc4基材(0.54)和单一热氧化处理(0.38)降低了44.4％和21.1％；附图4b表明，与gcr15钢球对磨时，复合处理后表面几乎未被磨损，磨损机制主要是对磨副的粘着转移，并伴随着氧化磨损，但其粘着磨损程度明显较单一热氧化层减轻。
72.实施例4
73.对tc4钛合金圆片试样(尺寸φ30
×
8mm)表面进行形性复合处理，具体步骤同实施例1，不同之处如下：
74.步骤1.2中，制作面密度为8％的菲林胶片掩模板。
75.本实施例的形性复合处理具体为“面密度8％的微织构+热氧化”，其微观形貌如附图1a所示；维氏硬度测试结果(附图2)表明，复合处理后的表面硬度分别是tc4基材和单一热氧化层的2.51倍和1.16倍；磨损测试结果表明(附图3)，复合处理后的摩擦系数(0.35)分别比tc4基材(0.54)和单一热氧化处理(0.38)降低了35.2％和7.9％；附图4a表明，与gcr15钢球对磨时，复合处理后表面几乎未被磨损，磨损机制主要是对磨副的粘着转移，并伴随着氧化磨损，其粘着磨损程度较单一热氧化层略有减轻。
76.由以上实施例可以看出，不同面密度的蚀刻微织构与热氧化复合处理后对基材摩擦系数的降低幅度有明显差异，特别是，面密度为26％的微织构与热氧化复合后的减摩、抗磨效果最好，大幅减轻了钛合金基材和单一热氧化层的磨粒磨损和粘着磨损。

技术特征：
1.钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于,具体按照以下步骤实施：步骤1、以感光蓝油作为抗蚀刻剂，采用湿法刻蚀技术在钛合金表面加工微织构；步骤2、对所述步骤1中得到的织构化钛合金进行热氧化处理，获得形性复合处理的钛合金。2.如权利要求1所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：步骤1.1、工件表面预处理并涂覆蓝油；步骤1.2、进行前烘操作和自制掩模；步骤1.3、将步骤1.2中的掩模曝光并进行显影；步骤1.4、进行后烘操作和刻蚀；步骤1.5、对刻蚀后的工件进行脱模。3.如权利要求2所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述步骤1.1具体为：将钛合金工件进行机械抛光，清洗干净后吹干备用，然后用刮涂或喷涂方法，将感光蓝油均匀涂覆在吹干后的钛合金工件表面，蓝油厚度为0.2mm～0.6mm，涂覆后在阴凉处静置不小于30min。4.如权利要求2所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述步骤1.2具体为：将涂覆感光蓝油的钛合金工件转移至温度为50℃～60℃的干燥箱中保温24～48h，直至感光蓝油干燥，然后根据所需制备的微织构参数，绘制出二维微织构图形，然后利用打印机制作菲林胶片掩模板，需要织构部分为黑色吸光层，其余部分为透光层。5.如权利要求2所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述步骤1.3具体为：将制作的掩模放置于完成前烘的工件之上，并用有机玻璃压紧，再用两个或多个紫外线灯曝光4min～8min，曝光距离10cm～20cm，然后将完成曝光的工件在显影液中浸泡1min，再将其取出，用蘸有显影液的软毛刷在感光蓝油表面进行刷洗，直至所需的微织构形状完全显露出来且无显影残留，完成显影后将工件用去离子水冲洗两次。6.如权利要求2所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述步骤1.4具体为：将完成显影的工件置于温度为50℃～60℃的干燥箱中保温20min～30min，再将烘干的工件置于钛合金刻蚀液中刻蚀，完成刻蚀后将工件用去离子水冲洗两次。7.如权利要求2所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述步骤1.5具体为：完成刻蚀后的工件置于脱模液中浸泡5～10min，再用软毛刷轻刷表面以去除蓝油，完成脱模后将工件用去离子水冲洗两次并吹干；脱模液为naoh与去离子水按重量比1:20所配置的氢氧化钠溶液，使用温度为38℃～45℃。8.如权利要求5所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述显影液为naco3与去离子水按重量比1:100所配置的碳酸钠溶液，使用温度为25℃～30℃。9.如权利要求6所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述钛合金刻蚀液为按重量比，氢氟酸：硝酸：十二烷基苯磺酸钠：去离子水＝32：55：0.1：413，使用温度在25℃～30℃内。10.如权利要求1所述的钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，其特征在于，所述步骤2具体为：织构化钛合金工件置于加热炉中，在700℃下保温7小时，然后随炉冷却至室温。

技术总结
本发明公开了钛合金表面减摩、抗磨的形性复合处理方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、以感光蓝油作为抗蚀刻剂，采用湿法刻蚀技术在钛合金表面加工微织构；步骤2、对所述步骤1中得到的织构化钛合金进行热氧化处理，获得形性复合处理的钛合金。本发明能够实现微织构与热氧化的协同作用，可同时提高钛合金表面的减摩、抗磨性能，有助于扩展钛合金的应用范围、延长钛合金零部件在摩擦工况下的使用寿命。长钛合金零部件在摩擦工况下的使用寿命。长钛合金零部件在摩擦工况下的使用寿命。


技术研发人员：于首明 梁中强 魏佳鑫 孙宇轩 张国君 林彦楷 苗根源 冯晓玉
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/7