一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法与流程

1.本发明涉及纯钛零件表面处理领域，具体涉及一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法。


背景技术：

2.随着现代工业的发展，人们对材料的性能有了越来越高的需求。材料在服役过程中，其破坏和失效一般始于表面，如磨损、疲劳断裂等。因而，提高材料的表面性能就可以延长材料的服役寿命。近些年，相关研究人员开发了表面纳米化技术，即将材料的表面晶粒细化至纳米量级而基体内部晶粒仍保持原始的状态。经过表面纳米化处理，金属材料表层的细小晶粒能够抑制裂纹生长，而内部的粗晶能够抵抗裂纹扩展。同时，晶粒的细化使得材料表面的硬度和耐磨性得到了提高。此外，纳米晶组织中丰富的晶界能够增大扩渗原子的接触面积和扩渗速度，表面纳米化技术作为金属材料化学热处理前的预处理工艺时，能够降低处理温度和缩短工艺周期。因此，表面纳米化技术具有重要的实际应用价值。
3.目前，可实现金属材料表面纳米化的方法多为强塑性变形法，如表面机械研磨(smat)、超声喷丸(ussp)、表面机械碾磨(smgt)、超音速微粒轰击(sfpb)等，这些方法虽然制备过程有所不同，但是其表面晶粒纳米化机理基本相同，均是采用特定的机械方法增加金属材料表面的自由能，使得材料的表面以高的应变速率发生强烈的塑性变形，从而在晶粒内部形成亚晶界、小角度晶界、位错及孪晶等，且它们之间会发生交互作用并对金属表面大晶粒进行分割，致使晶粒发生细化，最终实现表层晶粒尺寸的纳米化。但这些方法也存在一些问题，如不能处理较大尺寸或具有复杂形状的零件，且处理后材料表面粗糙度大幅度增加以及易产生微裂纹等，这些问题严重限制了表面纳米化工艺的应用前景。针对上述问题，相关研究人员提出了新的表面纳米化技术，如激光冲击喷丸、水射流冲击等，但也存在设备昂贵、工艺复杂等弊端。因此，需要开发一种工艺简单且能够实现复杂形状或大尺寸零件表面纳米化的方法来推进纳米化工艺在实际生产中的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法，其能够实现复杂形状纯钛零件表面的纳米化，且工艺过程简单，成本较低，生产效率高，适合大规模生产度。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法，包括以下步骤：
7.(1)材料的准备及表面预处理：用砂纸将纯钛零件表面打磨抛光，并在丙酮、蒸馏水和无水乙醇中清洗以去除表面油污，即得纯钛片；
8.(2)阳极氧化：通过阳极氧化的方法在纯钛零件表面制备出一层纳米结构的氧化层；
9.(3)表面涂覆还原助剂：阳极氧化后的纯钛片表面涂覆一层复合稀土钙钛矿还原
剂，以帮助后续的还原；
10.(4)低温还原：将经过阳极氧化的纯钛片在一定温度下进行还原，即获得纳米结构的单质钛层。
11.优选地，所述步骤(1)中，材料表面预处理的具体步骤如下，用线切割将纯钛切割成20mm
×
10mm
×
2mm的方板，用砂纸将其表面打磨抛光，然后依次置于丙酮、蒸馏水和无水乙醇中分别超声震洗5-10min，吹干，得到预处理后的材料。
12.优选地，所述步骤(2)中，阳极氧化处理的具体步骤如下，将预处理后的钛片作为阳极，石墨板为对阴极，阴极与阳极表面积比为2-5:1，两极之间距离为2-5cm，采用30-50v直流恒压在电解液中进行阳极氧化5-120min，阳极氧化的温度为10-40℃，在纯钛片表面得到一层纳米孔结构氧化膜。
13.优选地，所述电解液为hf，hf的体积百分比为0.5％。
14.优选地，所述步骤(3)中，复合稀土钙钛矿还原剂由lanio3、lacoo3、lamno3组成，lanio3、lacoo3、lamno3的质量比为1-8:1-5:0-5。
15.优选地，所述步骤(4)中，还原处理的具体步骤如下，将阳极氧化处理后的纯钛片放入管式炉中，通入还原气体，气体的总流量为100-800ml/min，还原温度为300-400℃，升温速度为10℃/min，保温1-10h。
16.优选地，所述还原气体为氢气、一氧化碳以及氩气所组成的混合气体，所述氢气、一氧化碳以及氩气的流量比为：2-4：0-5：1-3。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明先利用阳极氧化工艺在钛基材料表面制备出一定厚度的纳米结构氧化层(tio2)，此氧化层通过调控工艺参数，其纳米结构特征包括晶粒尺寸为纳米量级、纳米多孔结构以及纳米管状结构。再对其进行低温还原处理，氧化物可在稀土钙钛矿催化剂的帮助下被还原成单质钛，且纳米结构得以保留，从而实现了纯钛零件的表面纳米化。另外，相比其他表面纳米化方法，本发明所述的方法是一种化学的方法，处理时不受工件形状的影响，能够实现复杂形状纯钛零件表面的纳米化，且工艺过程简单，成本较低，生产效率高，适合大规模生产。
附图说明
19.图1为本发明实施例3所制纯钛阳极氧化后表面sem照片；
20.图2为本发明实施例3所制纯钛阳极氧化后截面sem照片；
21.图3为本发明实施例3所制氢气还原后样品的xrd衍射图谱；
22.图4为本发明实施例3所制氢气还原后样品表面sem照片；
23.图5为本发明实施例3所制氢气还原后样品横截面sem照片。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明实施所使用的加热装置为hh-2数显恒温水浴锅。
26.本发明实施所使用的还原装置为gsl-1700x-60-iii三温管式炉。
27.本发明实施例中组织形貌观察采用x’pert pro pw3040/60型x射线衍射仪和日立su8020扫描电子显微镜。
28.实施例1
29.一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法，包括以下步骤：
30.(1)材料的准备及表面预处理：用线切割将纯钛切割成20mm
×
10mm
×
2mm的方板，用砂纸将其表面打磨抛光，然后依次置于丙酮、蒸馏水和无水乙醇中分别超声震洗5min，吹干，得到预处理后的材料。
31.(2)阳极氧化：将抛光处理后的钛片作为阳极，石墨板为对阴极，阴极与阳极表面积比为3:1，两极之间距离为3cm，采用30v直流恒压在电解液中进行阳极氧化30min，阳极氧化的温度为25℃，在样品表面得到一层纳米孔结构氧化膜，其中电解液为0.5％(体积百分比)浓度的hf。经扫描电镜观察样品表面氧化膜厚约为4μm。
32.(3)在阳极氧化后的样品表面涂覆一层复合还原助剂，其配方为：lanio3、lacoo3所组成的复合粉体，其质量比为2:1。
33.(4)低温还原：将阳极氧化处理后的钛片放入管式炉，通入还原气体，还原气体为氢气和氩气的混合气体，流量比为4:1，气体总流量为300ml/min，加热至450℃，升温速度为10℃/min，保温8h。样品表层的纳米孔结构氧化膜被还原为钛单质，形貌发生改变，但仍为纳米结构。
34.实施例2
35.一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法，包括以下步骤：
36.(1)材料的准备及表面预处理：用线切割将纯钛切割成20mm
×
10mm
×
2mm的方板，用砂纸将其表面打磨抛光，然后依次置于丙酮、蒸馏水和无水乙醇中分别超声震洗5min，吹干，得到预处理后的材料。
37.(2)阳极氧化：将抛光处理后的钛片作为阳极，石墨板为对阴极，阴极与阳极表面积比为2:1，两极之间距离为2.5cm，采用45v直流恒压在电解液中进行阳极氧化5min，阳极氧化的温度为30℃，在样品表面得到一层纳米孔结构氧化膜，其中电解液为0.5％(体积百分比)浓度的hf。经扫描电镜观察样品表面氧化膜厚约为2.5μm。
38.(3)在阳极氧化后的样品表面涂覆一层复合还原助剂，其配方为：lanio3、lacoo3以及lamno3所组成的复合粉体，其质量比为5:1:1。
39.(4)低温还原：将阳极氧化处理后的钢片放入管式炉，通入还原气体，还原气体为氢气、一氧化碳以及氩气所组成的混合气体，其流量比为4：1：3，总流量为450ml/min，加热至500℃，升温速度为10℃/min，保温8h。样品表层的纳米孔结构氧化膜被还原为钛单质。样品表层的纳米孔结构氧化膜被还原为钛单质，形貌发生改变，但仍为纳米结构。
40.实施例3
41.一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法，包括以下步骤：
42.(1)材料的准备及表面预处理：用线切割将纯钛切割成20mm
×
10mm
×
2mm的方板，用砂纸将其表面打磨抛光，然后依次置于丙酮、蒸馏水和无水乙醇中分别超声震洗5min，吹干，得到预处理后的材料。
43.(2)阳极氧化：将抛光处理后的钛片作为阳极，石墨板为对阴极，阴极与阳极表面积比为4:1，两极之间距离为2cm，采用40v直流恒压在电解液中进行阳极氧化20min，阳极氧化的温度为20℃，在样品表面得到一层纳米孔结构氧化膜，其中电解液为0.5％(体积百分比)浓度的hf。
44.如图1、2的扫描电镜照片所示，样品表面氧化膜为纳米孔结构，厚约为2μm。
45.(3)在阳极氧化后的样品表面涂覆一层复合还原助剂，其配方为：lanio3、lacoo3以及lamno3所组成的复合粉体，其质量比为5:2:3。
46.(4)低温还原：将阳极氧化处理后的钢片放入管式炉，通入还原气体，还原气体为氢气、一氧化碳以及氩气所组成的混合气体，其流量比为2：3：1，总流量为500ml/min，加热至550℃，升温速度为10℃/min，保温6h。样品表层的纳米孔结构氧化膜被还原为钛单质，形貌发生改变，但仍为纳米结构。
47.如图3、4、5的x射线衍射和扫描电镜所示，样品表层的纳米孔结构氧化膜被还原为钛单质，形貌发生改变，但仍为纳米结构。
48.实施例4
49.一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法，包括以下步骤：
50.(1)材料的准备及表面预处理：用线切割将纯钛切割成20mm
×
10mm
×
2mm的方板，用砂纸将其表面打磨抛光，然后依次置于丙酮、蒸馏水和无水乙醇中分别超声震洗5min，吹干，得到预处理后的材料。
51.(2)阳极氧化：将抛光处理后的钛片作为阳极，石墨板为对阴极，阴极与阳极表面积比为3:1，两极之间距离为4cm，采用50v直流恒压在电解液中进行阳极氧化15min，阳极氧化的温度为10℃，在样品表面得到一层纳米孔结构氧化膜，其中电解液为0.5％(体积百分比)浓度的hf。经扫描电镜观察样品表面氧化膜厚约为1.5μm。
52.(3)在阳极氧化后的样品表面涂覆一层复合还原助剂，其配方为：lanio3、lacoo3以及lamno3所组成的复合粉体，其组成质量比为8:1:1。
53.(4)低温还原：将阳极氧化处理后的钢片放入管式炉，通入还原气体，还原气体为氢气、一氧化碳以及氩气所组成的混合气体，其流量比为2：5：1，总流量为300ml/min，加热至450℃，升温速度为10℃/min，保温6h。样品表层的纳米孔结构氧化膜被还原为钛单质，形貌发生改变，但仍为纳米结构。
54.以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。