一種鈦合金微弧氧化技術的製作方法

2023-06-12 19:05:56

專利名稱：一種鈦合金微弧氧化技術的製作方法
技術領域：
本發明屬於鈦合金表面處理技術，具體涉及鈦合金零件，特別是鈦合金緊固件表面電化學轉化膜工藝方法。
眾所周知，鈦合金的比強度高、比重小，耐熱性好，抗蝕性優良，已經廣泛地應用於航天，航空，造船及化工行業。但是，由於鈦合金是由90％以上的鈦形成的合金，其電極電位較負(-1.75V)，與鋁、鎂合金零件，鍍鋅、鍍鎘的鋼鐵件及其它金屬或鍍層接觸時，會產生電子轉移，容易發生電化學接觸腐蝕導致粘接；另外，鈦合金硬度比較高溫合金、不鏽鋼等又低很多，耐磨性較差。這些特性均限制了鈦合金的使用範圍。航空工業出版社1993年出版的《航空製造工程手冊》(表面處理分冊)提及鈦及鈦合金表面的轉化膜處理，指出該轉化膜可以用於螺紋緊固件的防粘滯、用於轉動配合中的耐磨、耐擦傷表面。但是，鈦合金在通常電壓下成膜困難，要求要在不斷升高電壓的條件下，使鈦合金處於等離子弧氧化狀態，才能使氧化膜增厚。而該手冊並無具體方案。材料保護雜誌社1988年出版的第3期「材料保護」刊登一篇北京航空材料研究院劉鳳嶺撰寫的「微弧氧化與材料表面陶瓷化」的文章，主要介紹了鋁合金等離子微弧陶瓷化技術。只是在引言中提及含有鈦的金屬及其合金，其正文中亦無鈦合金微弧氧化的具體內容。
本發明的目的在於提供一種鈦合金零件，尤其是鈦合金緊固件，利用脈衝微弧氧化使表面形成高硬度、高電阻值防護膜的工藝方法。
本發明的技術解決方案如下在包括目視檢查、除油、裝夾、水洗、陽極氧化、水洗、吹乾、檢驗在內的工藝流程中，在陽極氧化工序中，將零件置於主要由硫酸組成的酸性槽液中做陽極，採用直流脈衝電源間歇供電，在低溫下通過調節脈衝時間及跟蹤頻率，逐步升壓至高於120v後在等離子微弧狀態下成膜。其中，槽液中可含有少量的磷酸，其配方為H2SO4(ρ＝1.84)50～250ml/l；H3PO4(ρ＝1.7)0～20ml/l；槽液的溫度為≤30℃屬於低溫，一般取為-10～30℃。所採用的脈衝電流密度為1-12A/dm2；脈衝持續時間為0.02-0.8S；跟蹤頻率為0.25-2.95HZ；升壓時間為10-50min。當然，上述的流程中，除油工藝為常規工藝既可包括化學除油，也可包括有機溶劑除油。而陽極氧化結束時的電壓，則取決於圖紙對零件膜厚的要求，一般為120-300V。此外，採用的脈衝電流波既可以是鋸齒波、正弦波，又可以是方形波。
下面結合附圖看實施例。
附

圖1為工藝方法流程圖。
附圖2為結構緻密的氧化膜微觀形貌圖。
附圖3為又一種氧化膜微觀形貌圖。
實施例一，首先對某發動機材料牌號為TC6、BT20的螺母，螺帽，螺釘等帶有盲孔，螺紋及溝槽的零件840件，進行目視檢查，用脫脂棉蘸丙酮輕輕擦拭，並於裝夾後在化學除油槽液中進行化學除油。這時，除油配方如下NaoH 30-70 g/LNa2CO3·10H2O 20-25g/LNa3Po45-15g/LNa3sio43-5g/L溫度40-80℃除油後的零件，經水洗後進行脈衝陽極氧化。此時，裝在鈦合金夾具上的零件要與夾具緊密接觸，保證震顫時不移位。該氧化槽液的配方及氧化工藝如下H2SO4(p＝1.84) 180-220ml/LH3PO4(P＝1.7) 5-15ml/L槽液溫度0-30℃電流密度1-6A/dm2持續時間0.3-0.8S跟蹤頻率1.20-0.25HZ升壓過程中，零件的被加工表面都會出現微弧現象。升壓過程持續一段時間後，保持最終電壓值至規定的時間。由於本實施例要製造防粘接的轉化膜，故升壓時間取10-20min，終結電壓取120-150V。氧化結束後，關閉脈衝，然後降壓，斷電，取出零件，進行後續的水洗、吹乾及檢驗工序。最終合格件經掃描電鏡測得，結構緻密的氧化膜厚度為2-3μm ，見附圖2所示。採用顯微硬度計，通過計算可知，該氧化膜硬度略高於基體硬度，這是由於膜非常薄而受基體支撐影響所致。在防粘接對比試驗中，採用本工藝處理的零件膜層完整，零件表面比如螺紋處光滑無粘接現象，而不帶氧化膜的螺母則早已發生接觸腐蝕，甚至旋轉困難。該批840件，按工藝流程檢查合格，經裝機已經通過發動機300小時長期試車並交付使用。
實施例二，某發動機壓板、墊片、銷子、支壁，耳套等，材料牌號TC4、TC11。共計1500件。實施工藝流程中，檢查零件，除油，水洗等工序同實施例一，只是在陽極氧化工序，其槽液配方及氧化工藝如下H2SO4(p＝1.84)50-250ml/LH3PO4(P＝1.7) 0-20ml/L槽液溫度 -10-10℃電流密度 2-12A/dm2持續時間 0.02-0.4S跟蹤頻率 2.95-0.8HZ本實施例的目的是製造耐磨的轉化膜，故升壓時間取20-50min，終結電壓取140-300V。陽極氧化後的工序亦同實施例一。最終合格件經渦流測厚儀檢測，氧化膜厚度為5-12μm。同樣採用顯微硬度計，通過測試計算，其氧化膜硬度達600-700HV。用掃描電鏡觀察，該氧化膜微觀膜孔十分豐富，適於留存固體潤滑劑，見附圖3。該批1500件經檢查合格後亦交付使用。
本發明的優點在於採用脈衝供電方式，克服了鈦合金成膜困難的關鍵，實現了鈦合金尤其是鈦合金緊固件表面形成高硬度(可達700HV)、高電阻(可達5×106Ω)防護膜的目的。由於在低溫下利用脈衝電流間歇供電升壓，因此比較直流法陽極氧化，其氧化膜硬度高，耐磨性要好，並且有利於膜層的熔融——凝固，使膜層平整，不降低材料的疲勞極限。總之，本發明使鈦合金表面形成一層2-12μm的防護膜，阻礙了電子傳遞，抑制了電化學反應的發生，達到了防粘接的目的，同時也提高了材料的耐磨性能，可以提高零件使用壽命3倍以上。由於本發明的實現，大大拓展了鈦合金特別是鈦合金緊固件、接觸件及襯套件的應用範圍。飛機發動機、艦船發動機，汽車發動機，航天飛行器及一些民品上的高溫合金，不鏽鋼件，在工作溫度允許的條件下，都可以用鈦合金陽極氧化件取代，從而大大減輕系統的重量。對於推重比十分看重的航空航天領域，前景尤其廣闊。
權利要求
1.一種鈦合金微弧陽極氧化法，包括除油，裝夾，陽極氧化及水洗，其特徵在於在陽極氧化中，將零件置於主要由硫酸組成的酸性槽液內，在低溫下，採用直流脈衝電源，通過調節脈衝時間和跟蹤頻率，逐步升壓至高於120V後在等離子微弧狀態下成膜。
2.根據權利要求1所述的鈦合金微弧陽極氧化法，其特徵是酸性槽液的配方及溫度如下H2SO4(p＝1.84)50-250ml/LH3PO4(P＝1.7) 0-20ml/L槽液溫度 -10-30℃
3.根據權利要求1或2所述的鈦合金微弧陽極氧化法，其特徵是脈衝供電參數如下電流密度 1-12A/dm2持續時間 0.02-0.8S跟蹤頻率 0.25-2.95HZ升壓時間 10-50min終結電壓 120-300V
全文摘要
本發明涉及鈦合金表面轉化膜技術。特點是將零件置於主要由硫酸組成的酸性槽液中做陽極,在低溫下通過調節脈衝電源的脈衝時間及跟蹤頻率,升壓至高於120V時可形成2－12μm的氧化膜。本發明形成硬度可達700HV電阻可達5×10
文檔編號C25D11/26GK1386917SQ0111398
公開日2002年12月25日 申請日期2001年5月22日 優先權日2001年5月22日
發明者周英傑, 王偉, 王學連, 王少剛, 王向榮 申請人:瀋陽黎明航空發動機集團公司