一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層及其制備方法。所述涂層包括依次連接的激光織構化表面、氧化陶瓷層和自潤滑涂層，所述激光織構化表面為均勻分布的微孔陣列，所述氧化陶瓷層為硬質氧化陶瓷涂層，所述自潤滑涂層為MoS2涂層、PTFE涂層或石墨涂層。本發明專利技術將激光表面織構化技術和等離子電解氧化技術相結合，在鈦合金表面制備織構化/陶瓷化復合涂層，并涂覆固體潤滑劑以改善其表面摩擦性能。

【技術實現步驟摘要】
一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層及其制備方法
本專利技術涉及鈦合金耐磨減摩技術，具體涉及一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層及其制備方法。
技術介紹
鈦合金具有良好的耐腐性、高強度、低比重等特點，在航空、航天器件(承載件、渦輪葉片等)中有廣泛應用，并有望在發動機的連桿、進氣閥、可移動渦輪增壓器和活塞等部件上替代較重的鋼。但是，由于鈦合金表面硬度低且滑動摩擦性能較差，常會發生擦傷破壞，表現出較高的磨損以及不穩定的摩擦系數，從而限制了鈦合金在摩擦學領域的應用。近年來，等離子電解氧化(PlasmaElectrolyticOxidation,PEO)技術，又稱為微弧氧化技術，作為一種可以快速實現金屬表面陶瓷化轉變的技術，開始在鋁、鎂、鈦、鋯等閥金屬及其合金的表面處理中得到應用。該技術可以顯著提高鈦合金的表面硬度和耐磨性，但是，形成的氧化陶瓷層表面粗糙且多孔，在無潤滑條件下摩擦系數較高，容易造成滑動件及其配副件的磨損，不利于實際應用。在PEO涂層表面，采用機械涂覆、濺射、氣相沉積等處理方法沉積一層低摩擦的外層(石墨、MoS2、PTFE等涂層)[中國專利201310394592.5和201310025662.X]，可以有效降低PEO涂層的摩擦系數，改善其摩擦性能，并且在潤滑外層發生磨損后，PEO涂層表面自生微孔中儲存的潤滑劑仍可以補充到滑動表面，繼續提供潤滑。但是，由于大量的潤滑劑都堆積在PEO涂層表面，儲存在涂層表面自生微孔內的潤滑劑非常有限，因此當表面潤滑層被磨損掉時，鈦合金表面也將很快失去低摩擦性能。激光表面織構化技術(LaserSurfaceTexturing,LST)可以實現金屬表面的可控織構化加工，形成規則分布、尺寸可控的表面微孔陣列，將該技術與自潤滑涂層技術結合起來，可以有效改善零件表面的摩擦和磨損性能。表面織構可以作為潤滑劑的儲池，在表面潤滑層磨損后，可以繼續向滑動表面補充潤滑劑，保證接觸表面的低摩擦性能。同時，表面織構還可以收集磨屑顆粒，減少硬質顆粒對潤滑膜的刮擦和破壞，有效延長潤滑膜的使用壽命。但是，在摩擦接觸過程中，表面織構化微孔陣列間的表面是主要的接觸和承載位置，由于固體潤滑膜的硬度較低，并且在該處缺少足夠的載荷支撐，導致表面潤滑涂層很容易被磨壞，失去潤滑效果。因此，將等離子電解氧化處理和激光表面織構化技術結合起來，在鈦合金表面形成由織構化微孔陣列和氧化陶瓷涂層表面微孔構成的多尺度微孔結構，可以提高表面潤滑涂層的結合強度，并增強鈦合金表面對潤滑劑的儲存效果。同時，高硬度的等離子電解氧化涂層可以為表面潤滑涂層提供硬支撐，改善其承載能力和潤滑效果。目前，這方面的技術開發仍未見到相關的專利報道。
技術實現思路
本專利技術針對現有的鈦合金表面減摩耐磨處理技術的不足，提出了一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層及其制備方法。為了實現上述目標，本專利技術的具體技術方案如下：一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層，包括依次連接的激光織構化表面、氧化陶瓷層和自潤滑涂層，所述激光織構化表面為均勻分布的微孔陣列，所述氧化陶瓷層為硬質氧化陶瓷涂層，所述自潤滑涂層為MoS2涂層、PTFE涂層或石墨涂層。氧化陶瓷層上的表面微孔直徑為3-10μm，厚度為10-30μm。一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層的制備方法，具體步驟如下：1)對鈦合金基底進行拋光和去油預處理；2)采用Nd：YAG脈沖激光器對預處理后的試樣進行織構化處理，制備微孔陣列，形成激光織構化表面，其中，脈沖激光器的參數為：激光波長1064nm、輸出最大單脈沖能量50mJ、脈沖頻率50Hz、脈沖寬度50～100ns，同點重復激光脈沖次數1～5次；3)采用HF-HNO3溶液對織構化處理后的試樣進行活化，并去除表面氧化物；4)將活化處理后的試樣作為陽極，浸入到堿性電解液，進行等離子電解氧化處理，制備硬質氧化陶瓷涂層；5)在硬質氧化陶瓷涂層表面，以固體潤滑劑懸濁液為原料，制備自潤滑涂層。本專利技術步驟2)所述的微孔陣列，其微孔直徑D＝50～300μm，微孔深度h＝15～55μm，面積占有率S＝2％～35％，微孔間距L＝300～800μm。步驟4)所述的堿性電解液為磷酸鹽或鋁酸鹽電解液或其混合電解液，磷酸鹽電解液中十二水磷酸鈉(Na3PO4·12H2O)為1-15g/L，鋁酸鹽電解液中鋁酸鈉(NaAlO2)為5-12g/L，電解液pH＝12-14。步驟4)所述的等離子電解氧化處理采用高壓脈沖直流電源，其中，電源電壓400-460V，脈沖頻率100Hz-1kHz，占空比10％-20％，處理時間10-60min。步驟5)所述的固體潤滑劑懸濁液由以下組分組成，4.5wt％-5wt％粘結劑、7.5wt％-8wt％固體潤滑劑，余量為丙酮，其中，粘結劑為E44環氧樹脂，固體潤滑劑為納米MoS2、PTFE或石墨顆粒。步驟5)所述的自潤滑涂層采用浸漬、涂覆或噴涂工藝制備。其中，浸漬工藝是將試樣水平浸入到固體潤滑劑懸濁液中，靜置3-15min，取出后，在70℃和150℃下分別干燥2h和1h；涂覆工藝是以3mm/s的速度將試樣豎直浸入到固體潤滑劑懸濁液中，然后以0.2-1mm/s的速度進行提拉涂覆，試樣晾干后，旋轉180°進行重復提拉，該過程重復3-5次，然后在70℃和150℃下分別干燥2h和1h；噴涂工藝是采用自制氣體噴槍將固體潤滑劑懸濁液往復噴涂在試樣表面，往復次數10-15次，噴槍壓力為0.6-1MPa，晾干后，放入70℃和150℃下分別干燥2h和1h。與現有技術相比，本專利技術的優勢：本專利技術將激光表面織構化技術和等離子電解氧化技術相結合，在鈦合金表面制備織構化/陶瓷化復合涂層，并涂覆固體潤滑劑以改善其表面摩擦性能。硬質陶瓷層可以作為硬支撐層和耐磨層，提高鈦合金表面的耐磨性，同時，其表面粗糙、多孔且硬度較高，可以改善固體潤滑膜的結合強度和承載能力。由織構化微孔陣列和氧化陶瓷涂層表面微孔構成的多尺度微孔結構，可以作為固體潤滑劑的儲池，增強對固體潤滑劑的儲存和補給能力，在表面潤滑劑磨損后，可以繼續維持涂層表面的減摩效果。附圖說明附圖1為一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層的橫截面示意圖。附圖2為實施例1中LST/PEO/MoS2復合處理Ti6Al4V合金與其他處理的Ti6Al4V合金的摩擦系數曲線。圖1中，1-激光織構化表面，2-氧化陶瓷涂層，3-自潤滑涂層，4-氧化陶瓷涂層表面微孔。具體實施方式結合附圖和實施例，對本專利技術技術方案進行詳細說明，但是本專利技術的保護范圍不局限于所述實施例。如圖1，本專利技術的鈦合金表面復合耐磨減摩涂層包括激光織構化表面1，氧化陶瓷涂層2和自潤滑涂層3。氧化陶瓷涂層2設置在激光織構化表面1上，且其表面出現尺寸較小的氧化陶瓷涂層表面微孔4。激光織構化表面1和氧化陶瓷涂層表面微孔4構成多尺度微孔結構，氧化陶瓷涂層2上設置有自潤滑涂層3。實施例1：一種鈦合金表面織構化/陶瓷化-MoS2復合涂層的制備方法，具體制備步驟如下：(1)對鈦合金基底進行拋光和去油預處理；(2)采用Nd：YAG脈沖激光器對預處理后的試樣進行織構化處理，同點脈沖次數5次，微孔直徑D＝300μm，間距L＝800μm，深度h＝55μm，面積占有率S＝11％；(3)采用HF-HNO3溶液對織構化處理后的試樣進行活化，并去除表面氧化物；(4)以活本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層，其特征在于，包括依次連接的激光織構化表面、氧化陶瓷層和自潤滑涂層，所述激光織構化表面為均勻分布的微孔陣列，所述氧化陶瓷層為硬質氧化陶瓷涂層，所述自潤滑涂層為MoS2涂層、PTFE涂層或石墨涂層。

【技術特征摘要】
1.一種鈦合金表面復合耐磨減摩涂層，其特征在于，包括依次連接的激光織構化表面、氧化陶瓷層和自潤滑涂層，所述激光織構化表面為均勻分布的微孔陣列，所述氧化陶瓷層為硬質氧化陶瓷涂層，所述自潤滑涂層為MoS2涂層、PTFE涂層或石墨涂層，其中，所述的微孔陣列，其微孔直徑D=50～300μm，微孔深度h=15～55μm，面積占有率S=2%～35%，微孔間距L=300～800μm；氧化陶瓷層上的表面微孔直徑為3-10μm，厚度為10-30μm。2.如權利要求1所述的鈦合金表面復合耐磨減摩涂層的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：（1）對鈦合金基底進行拋光和去油預處理；（2）采用Nd：YAG脈沖激光器對預處理后的試樣進行織構化處理，制備微孔陣列，形成激光織構化表面，其中，脈沖激光器的參數為：激光波長1064nm、輸出最大單脈沖能量50mJ、脈沖頻率50Hz、脈沖寬度50～100ns，同點重復激光脈沖次數1～5次；（3）采用HF-HNO3溶液對織構化處理后的試樣進行活化，并去除表面氧化物；（4）將活化處理后的試樣作為陽極，浸入到堿性電解液，進行等離子電解氧化處理，制備硬質氧化陶瓷涂層；（5）在硬質氧化陶瓷涂層表面，以固體潤滑劑懸濁液為原料，制備自潤滑涂層。3.如權利要求2所述的鈦合金表面復合耐磨減摩涂層的制備方法，其特征在于，步驟（2）中所述的微孔陣列，其微孔直徑D=50～300μm，微孔深度h=15～55μm，面積占有率S=2%～35%，微孔間距L=300～800μm。4.如權利要求2所述的鈦合金表面復合耐磨減摩涂層的制備方法，其特征在于，步驟（4）中所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：熊黨生，秦永坤，李建亮，
申請(專利權)人：南京理工大學，南京鴻晟健生物科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32