一种提高钛合金乏油润滑条件下耐磨性能的表面处理方法与流程

1.本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种提高钛合金在乏油润滑条件下耐磨性能的表面处理方法。


背景技术：

2.钛合金具有密度小、比强度高、抗腐蚀性能和生物相容性好等一系列优异的特性，因此迅速成为航空航天、舰船、医疗器械、石油化工以及军事能源等领域不可或缺的重要材料。然而，由于钛合金低的塑性剪切抗力、微弱的加工硬化能力以及表面氧化膜低的保护作用，当其被使用于摩擦工况时，其表面很容易发生摩擦损伤而失效。因此，钛合金越来越难以适应复杂服役条件而难以满足实际应用的要求，严重阻碍了钛合金的进一步应用。为了发挥钛合金优异的机械性能和耐高低温性能等方面的优势，解决钛合金硬度低、耐磨性差等问题，国内外许多学者纷纷开展了钛合金表面改性技术方面的研究工作。目前，提高钛合金耐磨性的表面处理技术大致可分为表面改性技术、表面合金化技术和表面涂镀技术，如离子注入、化学镀cu、ag、热喷涂tin、nicral等。然而每一种单一表面技术都有其一定的局限性。近年来，采用复合处理技术对钛合金表面改性，使得其性能逐步提高。如在微弧氧化技术的基础上，结合封孔法、镀铝法、脉冲电子束法、水热法和电泳沉积法等进行复合处理。但未见将热氧化和激光表面织构进行复合处理的报道。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，提供了一种提高钛合金在乏油润滑条件下耐磨性能的表面处理方法。该方法通过热处理将钛合金在空气中进行热氧化，然后在真空中进行热扩散处理，形成热氧化和扩散层；并在热处理后的钛合金表面进行激光表面织构化处理；热氧化层及表面织构的协同作用，显著提高了钛合金在乏油润滑条件下的耐磨性能。
4.本发明第一个目的是提供一种提高钛合金在乏油润滑条件下耐磨性能的表面处理方法，包括以下步骤：
5.将钛合金表面进行抛光处理，随后进行热氧化处理，再进行真空热扩散，形成热氧化和扩散层；然后在形成的热氧化和扩散层表面上进行激光表面织构化处理，即得在乏油润滑条件下具有优异耐磨性能的钛合金。
6.优选的，所述热氧化处理是按照以下步骤进行：
7.将钛合金在空气中，以5～10℃/min的升温速率，加热至600～750℃，保温30～60min，然后随炉冷却至室温。
8.优选的，所述真空热扩散是按照以下步骤进行：
9.将热氧化处理后的钛合金，在真空条件下，以5～10℃/min的升温速率，加热至500～650℃，保温5～20h，然后随炉冷却至室温。
10.优选的，所述激光表面织构化处理是将依次经热氧化、热扩散后的钛合金表面加
工为多个圆形凹坑织构。
11.更优选的，所述织构参数为：直径为50～150微米，面密度为5％～30％，深度为5～30微米。
12.更优选的，所述激光表面织构化处理时的加工参数为：激光器波长355nm，脉冲频率30～100khz，脉宽小于20ns，输出功率0.1～3w。
13.优选的，所述钛合金表面进行抛光处理后的粗糙度为0.08～0.12微米。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.本发明基于热氧化和热扩散在钛合金表面生成一层硬度较高的氧化层，改善润滑油在其表面的润湿性；表面织构在乏油润滑时一方面能起到二次润滑的效果，另一方面能捕捉并储存一定的磨屑，二者的协同作用有效提高了钛合金在乏油润滑条件下的摩擦磨损性能。
16.本发明的目的是提供一种钛合金表面复合处理方法，有效延长钛合金在乏油润滑条件下的摩擦过程，提高了其耐磨性。
17.本发明提供的处理工艺简单，易操作，通过热氧化及织构加工工艺的调整，可以调控材料性能。
附图说明
18.图1为实施例1提供的钛合金经热氧化、扩散处理获得的氧化层断面形貌图。
19.图2为实施例1提供的钛合金热氧化后激光凹坑织构的三维形貌图。
20.图3为实施例1提供的具有优异耐磨性能的钛合金与只经热氧化后的钛合金、只经激光织构后的钛合金及未处理的钛合金在乏油润滑条件下的摩擦系数曲线。
具体实施方式
21.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
22.需要说明的是，下述各实施例中实验方法如无特殊说明，均为常规方法；采用的试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
23.实施例1
24.将钛合金表面进行抛光处理至粗糙度约为0.1微米后，放置在sg-gl1200管式炉中，通入空气，以8℃/min的升温速率，加热至700℃，并保温50min，然后随炉冷却至室温，获得热氧化处理后的钛合金；随后，在管内抽成真空状态，继续以8℃/min的升温速率，加热至600℃，并保温12h，然后随炉冷却至室温，获得热扩散后的钛合金；
25.将热氧化和热扩散后的钛合金，采用紫外纳秒激光精细微加工设备在其表面加工凹坑织构；加工参数如下：激光器波长355nm，脉冲频率50khz，脉宽小于20ns，输出功率2w；最终在试样表面加工得到圆形凹坑织构，织构参数如下：直径为100微米，面密度为15％，深度为10微米，图2中显示的织构深度为10微米左右；即得在乏油润滑条件下具有优异耐磨性能的钛合金。
26.实施例2
27.将钛合金表面进行抛光处理至粗糙度约为0.1微米后，放置在sg-gl1200管式炉
中，通入空气，以5℃/min的升温速率，加热至600℃，并保温60min，然后随炉冷却至室温，获得热氧化处理后的钛合金；随后，在管内抽成真空状态，继续以5℃/min的升温速率，加热至500℃，并保温20h，然后随炉冷却至室温，获得热扩散后的钛合金；
28.将热氧化和热扩散后的钛合金，采用紫外纳秒激光精细微加工设备在其表面加工凹坑织构；加工参数如下：激光器波长355nm，脉冲频率30khz，脉宽小于20ns，输出功率0.1w；最终在试样表面加工得到圆形凹坑织构，织构参数如下：直径为50微米，面密度为5％，深度为5微米；即得在乏油润滑条件下具有优异耐磨性能的钛合金。
29.实施例3
30.将钛合金表面进行抛光处理至粗糙度约为0.1微米后，放置在sg-gl1200管式炉中，通入空气，以10℃/min的升温速率，加热至750℃，并保温30min，然后随炉冷却至室温，获得热氧化处理后的钛合金；随后，在管内抽成真空状态，继续以10℃/min的升温速率，加热至650℃，并保温5h，然后随炉冷却至室温，获得热扩散后的钛合金；
31.将热氧化和热扩散后的钛合金，采用紫外纳秒激光精细微加工设备在其表面加工凹坑织构；加工参数如下：激光器波长355nm，脉冲频率100khz，脉宽小于20ns，输出功率3w；最终在试样表面加工得到圆形凹坑织构，织构参数如下：直径为150微米，面密度为30％，深度为30微米；即得在乏油润滑条件下具有优异耐磨性能的钛合金。
32.为了说明本发明提供的提高钛合金在乏油润滑条件下耐磨性能的表面处理方法获得的钛合金相关性能，对实施例1中提供的复合处理后的钛合金进行相关性能测试，并与只经热氧化后的钛合金、只经激光织构后的钛合金及未处理的钛合金进行对比，见图1～3所示。
33.图1为实施例1提供的钛合金经热氧化处理获得的氧化层断面形貌图。
34.图1中可以看出，在钛合金基体表面从内到外分别形成了氧扩散层和氧化层。
35.图2为实施例1提供的钛合金热氧化后激光凹坑织构的形貌图。
36.其中，图2(a)为实施例1提供的钛合金热氧化后激光凹坑织构的三维形貌图，图2(b)为实施例1提供的钛合金热氧化后激光凹坑织构的二维线图，由此可直接测量织构的相关几何参数。
37.从图2可知，织构为圆形，直径为100微米，深度为10微米，织构加工后经抛光处理后凹坑边缘较为光滑，未见明显毛刺。
38.图3为实施例1提供的表面具有耐磨性能的钛合金与只经热氧化后的钛合金、只经激光织构后的钛合金及未处理的钛合金在乏油润滑条件下的摩擦系数曲线。其中，图3(a)为实施例1提供的表面具有耐磨性能的钛合金(热氧化-织构样)与只经热氧化后的钛合金(单热氧化样)、只经激光织构后的钛合金(单织构样)及未处理的钛合金(未处理对比样)在乏油润滑条件下的摩擦系数曲线；图3(b)为图3(a)中虚线框圈出的局部放大图。
39.需要说明的是，摩擦磨损试验所用设备为umt-2型多功能摩擦磨损试验机，摩擦副接触方式为球-盘式。下试样为实施例1提供的表面具有耐磨性能的钛合金，上试样为φ6.35mm的ggr15钢球，ra≈0.02μm，硬度为62hrc。摩擦方式为旋转滑动摩擦。旋转半径设定为4mm，载荷为24n，转速为480r/min，直至摩擦系数升高时停止试验，每组试验重复3次，试验用润滑油为pao4基础油，运动粘度(40℃)为16.8mm2/s，使用移液枪在表面滴加0.1μl pao4，试验过程中不再添加润滑油，以此实现乏油润滑。
40.图3(a)中可以看出，未处理的试样与单织构处理试样的摩擦系数在实验开始就迅速升高至0.5左右，并一直持续到实验结束(30分钟)，见图3(b)内嵌放大图，磨损均很严重。单热氧化处理与热氧化-织构复合处理后试样的稳定摩擦系数分别为0.15和0.10左右。与单热氧化处理相比，热氧化-织构复合处理后试样的乏油摩擦过程延长近300分钟，磨痕深度也明显降低。其中，从图3(a)中可以看出，乏油润滑区域，分别在900分钟和1200分钟之前的区域。
41.综上，本发明基于热氧化和热扩散在钛合金表面生成一层硬度较高的氧化层，改善润滑油在其表面的润湿性；表面织构在乏油润滑时一方面能起到二次润滑的效果，另一方面能捕捉并储存一定的磨屑，二者的协同作用有效提高了钛合金在乏油润滑条件下的摩擦磨损性能。
42.本发明描述了优选实施例及其效果。但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
43.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。