[发明专利]一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法

说明书

本发明公开了一种实现复杂形状纯钛零件表面纳米化的方法，所述方法包括以下步骤：用砂纸将纯钛零件表面打磨抛光，然后进行超声清洗并吹干；通过阳极氧化的方法在样品表面制备出一层纳米结构的氧化层；随后在阳极氧化后的样品表面涂覆一层还原助剂；最后在低温下进行还原，还原工艺可将氧化物还原成单质钛，且纳米结构得以保留，从而实现了纯钛零件的表面纳米化。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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

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：

(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；

(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；

(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；

(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。

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。

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。