任何材料都有它的優(yōu)缺點(diǎn),為了進(jìn)一步達(dá)到提高鈦合金耐蝕性、耐磨性、抗微動(dòng)磨損性、高溫抗氧化性等目的,對鈦合金進(jìn)行表面處理是進(jìn)一步擴(kuò)大鈦合金使用范圍的有效途徑,可以這么說目前對金屬的表面處理方法幾乎全部應(yīng)用到了鈦合金的表面處理上,包括金屬電鍍、化學(xué)鍍、熱擴(kuò)散、陽極氧化、熱噴涂、低壓離子工藝、電子和激光的表面合金化、非平衡磁控濺射鍍膜、離子氮化、PVD法制膜、離子鍍膜、納米技術(shù)等等?？傮w來看在鈦合金表面形成TiO、TiN、TiC滲鍍層及TiAlN多層納米膜仍然是重點(diǎn)。
電鍍:在鈦合金表面鍍鎳、鍍硬鉻、鍍銀等。鍍銀目的是提高鈦合金的導(dǎo)電性和釬焊性。鈦合金基體上有一層致密的氧化物薄膜,電鍍不易進(jìn)行,所以電鍍前必須對鈦合金表面進(jìn)行預(yù)處理。
交流微弧氧化:微弧氧化(MAO)是一項(xiàng)在金屬表面生長氧化物陶瓷膜的新技術(shù)。它從陽極氧化發(fā)展而來,但它施加了幾百伏的高壓,突破了陽極氧化對電壓的限制。該技術(shù)通過微弧放電區(qū)瞬間高溫高壓燒結(jié)直接把基體金屬變成氧化物陶瓷,并獲得較厚的氧化物膜。對鈦合金表面微弧氧化膜,獲得膜的硬度高并與金屬基體結(jié)合良好。改善了鈦合金表面的抗磨損、抗腐蝕、耐熱沖擊及絕緣等性能,在許多領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
表面氧化處理:一般鈦和鈦合金較之常用的生物體用合金CoCr合金和316L不銹鋼的耐磨性都較差,而且所產(chǎn)生的磨損粉在生物體內(nèi)都有可能產(chǎn)生不良影響。因此,新開發(fā)的一些生物體用鈦合金在生物體內(nèi)使用之前往往都要采取適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?以提高其抗磨性。為此,日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)和大同特殊鋼公司研究了一種新開發(fā)的生物體用β型鈦合金Ti29Nb13Ta46Zr(簡稱TNTZ合金),采取表面氧化處理提高其表面耐磨性。
離子注入:離子注入與其它表面處理技術(shù)
相比顯示了諸多優(yōu)點(diǎn),與物理或化學(xué)氣相沉積相比,主要優(yōu)點(diǎn)在:
①膜與基體結(jié)合好,抗機(jī)械、化學(xué)作用不剝落能力強(qiáng);
②注入過程不要求升高基體溫度,從而可保持工件幾何精度;
③工藝重復(fù)性好等。許多研究者報(bào)道了氮離子注入對Ti6Al4V合金表面成分、組織結(jié)構(gòu)、硬度及摩擦學(xué)性能有良好改善效果。
TiC也是超硬相,故鈦合金經(jīng)離子注入碳也同樣可以強(qiáng)化鈦合金表面。但是由于等離子體基離子注入并非連續(xù)過程,施加每一負(fù)脈沖電位時(shí),隨著脈沖電位由零下降至谷值,再回升至零,發(fā)生著濺射和注入兩個(gè)過程。如果等離子體中含有金屬或碳離子時(shí),在脈沖電位為零時(shí),在一定條件下還會(huì)在表面形成單一碳沉積層,在一定脈沖電壓(10~30kV)作用下,該單一碳層的結(jié)構(gòu)為類金剛石碳(DLC)。從而可以獲得比注氮層摩擦系數(shù)更低,耐磨性更好的表面改性層。表面單一碳層經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定其為DLC膜。經(jīng)這樣處理的鈦合金,表面硬度提高4倍,在同種材料構(gòu)成摩擦副,干摩擦條件下,摩擦系數(shù)由0·4下降至0·1,耐磨性較未離子注入的提高30倍以上。
離子束增強(qiáng)沉積(IBED):利用離子束增強(qiáng)沉積(IBED)方法制備了CrC硬質(zhì)膜,可用于鈦合金的微動(dòng)磨損防護(hù)。研究表明,CrC顯示出最好的微動(dòng)疲勞特性;而噴丸后涂覆的CrC膜則顯示出了最高的微動(dòng)磨損抗力。
涂層技術(shù):涂層技術(shù)是改善鈦合金抗氧化性的有效方法。美國一家公司研究出一種改善鈦合金抗氧化性能的新方法,在鈦合金基體上加一種均勻的銅合金涂層。涂層所用的銅合金可從以下三種組成中選取一種:1·銅+7%鋁;2·銅+4·5%鋁;3·銅+5·5%鋁+3%硅。涂層是在基體溫度低于619℃的條件下進(jìn)行涂覆的。
激光淬火:據(jù)報(bào)道鈦合金TC11微動(dòng)磨損量隨法向載荷和微動(dòng)幅度的增大而增加。激光淬火后鈦合金TC11抗微動(dòng)磨損能力有所提高,其提高幅度與微動(dòng)幅度大小,抗微動(dòng)磨損能力的改善是激光淬火使組織細(xì)化、硬度提高的結(jié)果。
激光熔覆:航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金鎳基合金摩擦副的接觸磨損是航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用中的一大難題,利用激光熔覆技術(shù)可獲得優(yōu)良的涂層,為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件的修復(fù)開創(chuàng)了一條新途徑,熔覆合金粉末是CoCrW和WC的機(jī)械混合物,提高了高溫耐磨和抗腐蝕性能,技術(shù)特點(diǎn)是制備時(shí)間短,質(zhì)量穩(wěn)定,并消除了由于熱影響可能產(chǎn)生的裂紋問題。
離子轟擊:TC11鈦合金經(jīng)氮離子轟擊表面處理后,表面可獲得由TiN和Ti2N組成的改性層,硬度為600~800HV;表面硬度的提高,有利于改善TC11鈦合金的耐磨性。
等離子滲氮與噴丸處理:利用直流脈沖等離子電源裝置對Ti6Al4V鈦合金表面滲氮處理,采用噴丸形變強(qiáng)化(SP)對滲氮層進(jìn)行后處理,在鈦合金表面獲得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相組成的滲氮層,該改性層能夠顯著地提高鈦合金常規(guī)磨損和微動(dòng)磨損(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力。滲氮層的減摩和抗磨性能與SP引入的表面殘余壓應(yīng)力協(xié)同作用,使鈦合金FF抗力超過了SP單獨(dú)作用。提高滲氮層韌度對改善鈦合金FF和FW性能均十分重要。
DLC膜:復(fù)合碳膜具有獨(dú)特的物理、力學(xué)和化學(xué)性能,它已被作為眾多的研究對象。利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備類金剛石薄膜,其主要目的也是為提高鈦合金的表面硬度和耐摩擦性。試驗(yàn)結(jié)果表明膜中鈦含量超過9%,膜的硬度將會(huì)下降,且膜基結(jié)合力強(qiáng)度也是有限的。
液相沉積:TC4表面液相沉積生物陶瓷涂層。近年來,通過化學(xué)處理,在鈦合金基體植入件表面制取生物陶瓷涂層的探索性研究已有公開的報(bào)道。如用高濃度的NaOH或H2O2處理工藝,提出的兩步堿處理工藝,還有人引入了乙烯基三乙氧基硅烷和聚丙烯酸鈉等調(diào)制劑來獲得生物陶瓷涂層。對TC4合金進(jìn)行簡單的酸堿預(yù)處理后,再在一種仿體液的快速鈣化溶液(FCS)中浸泡沉積,以期獲得梯度結(jié)合的生物活性好的鈦基HA生物陶瓷涂層復(fù)合材料。該方法的研究對鈦合金直接作為硬組織植入材料應(yīng)用有著十分重要的理論意義和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
