[發(fā)明專利]一種鈦合金表面復(fù)合耐磨減摩涂層及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410767991.6
• 申請(qǐng)日: 2014-12-12
• 公開（公告）號(hào): CN104480511A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 熊黨生;秦永坤;李建亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué);南京鴻晟健生物科技有限公司
• 主分類號(hào): C25D11/26
• 分類號(hào): C25D11/26
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅;朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鈦合金耐磨減摩技術(shù)，具體涉及一種鈦合金表面復(fù)合耐磨減摩涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

鈦合金具有良好的耐腐性、高強(qiáng)度、低比重等特點(diǎn)，在航空、航天器件(承載件、渦輪葉片等)中有廣泛應(yīng)用，并有望在發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、進(jìn)氣閥、可移動(dòng)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(dòng)摩擦性能較差，常會(huì)發(fā)生擦傷破壞，表現(xiàn)出較高的磨損以及不穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，從而限制了鈦合金在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

近年來，等離子電解氧化(Plasma?Electrolytic?Oxidation,PEO)技術(shù)，又稱為微弧氧化技術(shù)，作為一種可以快速實(shí)現(xiàn)金屬表面陶瓷化轉(zhuǎn)變的技術(shù)，開始在鋁、鎂、鈦、鋯等閥金屬及其合金的表面處理中得到應(yīng)用。該技術(shù)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(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)較高，容易造成滑動(dòng)件及其配副件的磨損，不利于實(shí)際應(yīng)用。在PEO涂層表面，采用機(jī)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(shù)，改善其摩擦性能，并且在潤(rùn)滑外層發(fā)生磨損后，PEO涂層表面自生微孔中儲(chǔ)存的潤(rùn)滑劑仍可以補(bǔ)充到滑動(dòng)表面，繼續(xù)提供潤(rùn)滑。但是，由于大量的潤(rùn)滑劑都堆積在PEO涂層表面，儲(chǔ)存在涂層表面自生微孔內(nèi)的潤(rùn)滑劑非常有限，因此當(dāng)表面潤(rùn)滑層被磨損掉時(shí)，鈦合金表面也將很快失去低摩擦性能。

激光表面織構(gòu)化技術(shù)(Laser?Surface?Texturing,LST)可以實(shí)現(xiàn)金屬表面的可控織構(gòu)化加工，形成規(guī)則分布、尺寸可控的表面微孔陣列，將該技術(shù)與自潤(rùn)滑涂層技術(shù)結(jié)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(gòu)可以作為潤(rùn)滑劑的儲(chǔ)池，在表面潤(rùn)滑層磨損后，可以繼續(xù)向滑動(dòng)表面補(bǔ)充潤(rùn)滑劑，保證接觸表面的低摩擦性能。同時(shí)，表面織構(gòu)還可以收集磨屑顆粒，減少硬質(zhì)顆粒對(duì)潤(rùn)滑膜的刮擦和破壞，有效延長(zhǎng)潤(rùn)滑膜的使用壽命。但是，在摩擦接觸過程中，表面織構(gòu)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(rùn)滑膜的硬度較低，并且在該處缺少足夠的載荷支撐，導(dǎo)致表面潤(rùn)滑涂層很容易被磨壞，失去潤(rùn)滑效果。

因此，將等離子電解氧化處理和激光表面織構(gòu)化技術(shù)結(jié)合起來，在鈦合金表面形成由織構(gòu)化微孔陣列和氧化陶瓷涂層表面微孔構(gòu)成的多尺度微孔結(jié)構(gòu)，可以提高表面潤(rùn)滑涂層的結(jié)合強(qiáng)度，并增強(qiáng)鈦合金表面對(duì)潤(rùn)滑劑的儲(chǔ)存效果。同時(shí)，高硬度的等離子電解氧化涂層可以為表面潤(rùn)滑涂層提供硬支撐，改善其承載能力和潤(rùn)滑效果。目前，這方面的技術(shù)開發(fā)仍未見到相關(guān)的專利報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的鈦合金表面減摩耐磨處理技術(shù)的不足，提出了一種鈦合金表面復(fù)合耐磨減摩涂層及其制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種鈦合金表面復(fù)合耐磨減摩涂層，包括依次連接的激光織構(gòu)化表面、氧化陶瓷層和自潤(rùn)滑涂層，所述激光織構(gòu)化表面為均勻分布的微孔陣列，所述氧化陶瓷層為硬質(zhì)氧化陶瓷涂層，所述自潤(rùn)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(fù)合耐磨減摩涂層的制備方法，具體步驟如下：

1)對(duì)鈦合金基底進(jìn)行拋光和去油預(yù)處理；

2)采用Nd：YAG脈沖激光器對(duì)預(yù)處理后的試樣進(jìn)行織構(gòu)化處理，制備微孔陣列，形成激光織構(gòu)化表面，其中，脈沖激光器的參數(shù)為：激光波長(zhǎng)1064nm、輸出最大單脈沖能量50mJ、脈沖頻率50Hz、脈沖寬度50～100ns，同點(diǎn)重復(fù)激光脈沖次數(shù)1～5次；

3)采用HF-HNO₃溶液對(duì)織構(gòu)化處理后的試樣進(jìn)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(jìn)行等離子電解氧化處理，制備硬質(zhì)氧化陶瓷涂層；

5)在硬質(zhì)氧化陶瓷涂層表面，以固體潤(rùn)滑劑懸濁液為原料，制備自潤(rùn)滑涂層。

本發(fā)明步驟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。