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(duì)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(shuō)目前對(duì)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(yáng)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(lái)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(duì)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(zhǎng)氧化物陶瓷膜的新技術(shù)。它從陽(yáng)極氧化發(fā)展而來(lái),但它施加了幾百伏的高壓,突破了陽(yáng)極氧化對(duì)電壓的限制。該技術(shù)通過(guò)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(duì)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(kāi)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(kāi)發(fā)的生物體用β型鈦合金Ti29Nb13Ta46Zr(簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(lèi)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顯示出好的微動(dòng)疲勞特性;而噴丸后涂覆的CrC膜則顯示出了高的微動(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(guó)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(kāi)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(wèn)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(duì)Ti6Al4V鈦合金表面滲氮處理,采用噴丸形變強(qiáng)化(SP)對(duì)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(guò)了SP單獨(dú)作用。提高滲氮層韌度對(duì)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(duì)象。利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備類(lèi)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(guò)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(lái),通過(guò)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(kāi)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(lái)獲得生物陶瓷涂層。對(duì)TC4合金進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)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。