[發(fā)明專利]一種鈦合金表面陶瓷增強石墨自潤滑涂層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010565748.1
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111575703B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張?zhí)靹?/a>;姚波;張志強;柏明磊;肖海強;楊凡;徐譽桐
• 申請（專利權(quán)）人: 中國民航大學(xué)
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C22C14/00;C22C19/05
• 代理公司: 天津市鼎和專利商標代理有限公司 12101
• 代理人: 許愛文

本發(fā)明屬于鈦合金表面工程領(lǐng)域，尤其涉及一種鈦合金表面陶瓷增強石墨自潤滑涂層及其制備方法。該潤滑涂層是由30wt％TC4粉末、25?45wt％Ni60粉末和25?45wt％鎳包石墨粉末組成的熔覆材料在處理后的鈦合金基材表面經(jīng)同軸送粉激光熔覆技術(shù)制得。本發(fā)明能夠在鈦合金表面制備出具有良好自潤滑效果的陶瓷增強石墨自潤滑涂層，可提高鈦合金表面摩擦磨損性能，增加鈦合金零部件的服役周期，解決了涂層中潤滑相和增強相因質(zhì)量密度差異和界面關(guān)系不明確等原因?qū)е峦繉咏M織結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重偏析而影響涂層自潤滑性能的問題，并且該方法工藝過程簡單，無污染且效率高，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈦合金表面工程領(lǐng)域，尤其涉及一種鈦合金表面陶瓷增強石墨自潤滑涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕、抗疲勞及良好的焊接及鑄造性能等眾多優(yōu)異特性，已成為航空、航天、國防裝備等高精尖技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，并在石油化工、能源動力、生物醫(yī)學(xué)等國民經(jīng)濟領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但鈦合金存在硬度低、摩擦系數(shù)大、耐磨性較差、易產(chǎn)生粘著磨損等固有缺陷，嚴重限制了鈦合金作為摩擦副運動零部件的服役壽命和應(yīng)用范圍。由于鈦合金零部件摩擦磨損、微動損傷等失效行為均起源于零件表面，因此，采用先進的表面改性技術(shù)，在鈦合金零部件表面承受摩擦磨損的特定部位制備一層具有高硬度且摩擦系數(shù)低的自潤滑耐磨涂層來改善其摩擦學(xué)行為，是一種十分經(jīng)濟、有效的技術(shù)手段。

鈦合金表面自潤滑耐磨涂層不僅具有高硬度、高強度，且涂層中的潤滑相可在涂層表面形成轉(zhuǎn)移潤滑膜，有效降低涂層摩擦系數(shù)，顯著增加涂層的摩擦磨損性能。然而，當(dāng)自潤滑耐磨激光熔覆層中潤滑相和增強相因質(zhì)量密度差異和界面關(guān)系不明確等原因?qū)е码x散、團聚和堆積分布時，涂層組織結(jié)構(gòu)將發(fā)生嚴重偏析，勢必造成涂層局部應(yīng)力集中，裂紋發(fā)生率顯著增加，嚴重影響涂層質(zhì)量和力學(xué)性能；此外，涂層中堆積的潤滑劑分子易產(chǎn)生較大的粘彈性摩擦阻力，使涂層磨損率增大，摩擦系數(shù)升高，減摩性能下降；而且，若固體潤滑劑大量在涂層表面團聚時，將導(dǎo)致潤滑相不能完全“鑲嵌”到涂層中，潤滑相易被刮落造成典型的犁溝磨損，使?jié)櫥さ耐暾栽谀Σ吝^程中遭到破壞，造成涂層摩擦系數(shù)和磨損率顯著增大。因此，如何解決自潤滑耐磨涂層中潤滑相和增強相因質(zhì)量密度差異和界面關(guān)系不明確等原因?qū)е峦繉咏M織結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重偏析而影響涂層自潤滑性能的問題，是激光熔覆制備高性能自潤滑耐磨涂層技術(shù)目前迫切需要解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

針對鈦合金硬度低，摩擦系數(shù)大等問題及現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種鈦合金表面陶瓷增強石墨自潤滑涂層及其制備方法。本發(fā)明以TC4+Ni60+鎳包石墨為熔覆材料，采用同軸送粉激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備出了含“石墨-TiC”復(fù)合結(jié)構(gòu)相的自潤滑耐磨涂層，該方法解決了涂層中潤滑相和增強相因質(zhì)量密度差異和界面關(guān)系不明確等原因?qū)е峦繉咏M織結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重偏析而影響涂層自潤滑性能的問題，并且該方法工藝過程簡單，無污染且效率高，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案為：

本發(fā)明一種鈦合金表面陶瓷增強石墨自潤滑涂層及其制備方法的設(shè)計思路：

(一)利用熔覆材料各組分在熔覆過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，在涂層中原位生成陶瓷增強相、金屬間化合物等高硬度物相，可顯著提高涂層耐磨性。利用熔覆材料中的具有低摩擦系數(shù)的石墨為潤滑相，可有效減輕涂層自身及其與摩擦副的摩擦磨損，從而大幅提高涂層的減摩性能。

(二)利用涂層中形成的“石墨-TiC”復(fù)合結(jié)構(gòu)相之間具有的捆綁、依附和拖拽作用，增強涂層組織分布均勻性，抑制潤滑相和增強相在涂層中的偏析行為，提升涂層力學(xué)性能。

(三)通過控制熔覆材料各組分的含量以及優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)減少或消除涂層中氣孔、裂紋等缺陷，提高涂層成形質(zhì)量。

本發(fā)明從熔覆材料體系設(shè)計和激光熔覆過程中的工藝參數(shù)優(yōu)化等方面進行了創(chuàng)新設(shè)計：

(一)激光熔覆材料體系設(shè)計