一种石墨烯/碳化钛复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯/碳化钛复合涂层及其制备方法，所述涂层是以TiC为主相，石墨烯、Fe和Fe3C为第二相，其中TiC的含量为该涂层的70～90wt.％，石墨烯的含量为0.1～1wt.％。将TiC半烧结体工具电极和工件浸没于由烷基功能化改性石墨烯和煤油组成的固液混合加工液中，调控工具电极与工件至合适间隙后施加脉冲放电，利用放电产生的能量使TiC工具电极熔化并转移至工件表面微熔池，微熔池材料在重新凝固的过程中与分散于工作液中的石墨烯在工件表面共沉积，最终在工件表面形成石墨烯/碳化钛复合涂层。该复合涂层与工件间呈现冶金结合，具有硬度高且韧性好，减摩耐磨损等优点，可有效延长工、模的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工件表面处理方法
，更具体地，涉及一种石墨烯/碳化钛复合涂层及其制备方法。
技术介绍
由于TiC涂层具有硬度高和良好的化学稳定性等优点，可用于机械加工和切削工具、钻头和各种成型用的模具上的耐磨涂层，也适用于制造耐磨零件，如喷嘴等的表面防护涂层。然而，TiC本征脆性大，同时由于目前的主流技术，如物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)，所制备的TiC涂层与工件间存在结合力不高等原因。涂层的横向断裂强度和抗压强度，特别是抗冲击强度和疲劳强度有待提高，以至在冲击载荷的工况下，TiC涂层容易出现严重磨损，甚至剥离失效。针对上述不足，主要有两种改善措施：(1)通过氮原子取代TiC涂层中部分的碳原子，形成新型的TiCxN1-x涂层。与TiC涂层相比，TiCxN1-x涂层的韧性得到明显的改善，同时也提高了涂层与工件间的结合力。但氮原子的引入导致涂层的硬度随之降低而摩擦系数升高。大的摩擦系数不但增加切削力或冲压力而且导致更多的加工余热，增加涂层的黏着磨损。(2)制备TiC基复合涂层。其中由类金刚石非晶碳和TiC纳米晶组成的非晶纳米晶复合涂层在增韧和减摩两方面都取得较好的效果。然而上述非晶碳/TiC复合涂层的摩擦磨损性能受复合涂层中各相的含量、分布以及界面结构，特别是非晶碳第二相中SP2-碳和SP3-碳的比例和分布，碳-碳悬挂键终端原子种类等因素影响较大，要获得良好减摩耐磨性能的涂层依赖于精密设备和实验条件的精确控制。因此，开发兼具高硬度、好韧性、高结合力和减摩耐磨损等优点的新型TiC基复合涂层及其简便且高效的制备方法对于扩展TiC涂层在服役于高速、重载工况下的工、模具和重要零部件中的应用具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目在于克服现有技术中TiC涂层在服役于高速、重载工况下由于脆性大和与基体结合力不足等原因引起的耐磨性差的问题，提供一种新型的TiC基复合涂层及其简便和高效的制备方法。本专利技术上述目的是通过以下技术方案予以实现：一种石墨烯/碳化钛复合涂层，其特征在于，包括TiC主相和第二相；所述第二相包括石墨烯、Fe和Fe3C，所述TiC主相的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的70～90wt.％；所述第二相的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的10～30wt.％；所述石墨烯的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的0.1～1wt.％。优选地，所述石墨烯/碳化钛复合涂层的厚度为2～30μm。一种石墨烯/碳化钛复合涂层的制备方法，包括以下具体步骤：S1.将工具电极碳化钛半烧结体和工件浸没于固液混合加工液中；S2.采用伺服控制系统，调整碳化钛半烧结体与工件的间隙，采用脉冲电源在碳化钛半烧结体与工件之间进行脉冲放电；S3.用小型螺旋桨在碳化钛半烧结体与工件间脉冲放电的整个过程中对工作液施加持续搅拌；S4.利用脉冲放电产生的能量使碳化钛半烧结体熔化并转移至工件表面微熔池，微熔池材料在重新凝固的过程中与分散于工作液中的石墨烯共沉积，最终在工件表面形成以TiC为主相，石墨烯、Fe和Fe3C为第二相的石墨烯/碳化钛复合涂层。优选地，步骤S1所碳化钛半烧结体是由99wt.％的碳化钛粉末和1wt.％的硬酯酸锌均匀混合物，在不锈钢模具中压制成型后，经烧结而成。优选地，所述碳化钛粉末的粒度为0.2～2μm；所述不锈钢模具中压制成型的压力为5～15MPa，所述烧结的温度为700～1000℃，所述烧结的时间为1～3h。优选地，步骤S1所述工件为高速钢、模具钢或中低碳钢。优选地，步骤S1所述固液混合加工液是由石墨烯二维纳米片和煤油混合而成。优选地，所述石墨烯二维纳米片在煤油中的浓度为0.01～0.5gL-1；所述石墨烯二维纳米片是经碳链长度为C12～C18的烷基官能团的功能化改性制得；所述石墨烯二维纳米片的尺寸为0.05～5μm，厚度为1～10个原子层，优选地，步骤S2所述工具电极与工件的间隙为50～150μm。优选地，步骤S2所述脉冲放电的参数为脉宽10～100μs，峰值电流2～6A，脉间距20～200μs，放电时间5～30min。本专利技术中工具电极碳化钛半烧结体的制备过程中添加了1wt.％的硬酯酸锌有两个作用：其一，为使碳化钛压结体易于从不锈钢模具中脱离，起到润滑剂的作用；其二，为增加碳化钛压结体的成型性，起到粘结剂的作用。而且，硬酯酸锌在随后的烧结过程中会完全分解，不会对碳化钛半烧结体造成污染。此外，石墨烯/碳化钛复合涂层由熔化的碳化钛半烧结体和熔化的工件材料在工作表面微熔池均匀混合后重新凝固而成。由于碳化钛半烧结体中TiC的熔点高，在微熔池中优先凝固，而工件材料中如Fe、Fe3C等由于类毛细管吸力渗透在凝固的TiC晶粒间，使得石墨烯/碳化钛复合涂层与工件间呈现冶金结合，显著提高了复合涂层与工件间的结合力。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术的石墨烯/碳化钛复合涂层兼具高硬度和好韧性的优点。由于石墨烯具有优异的力学性能，在TiC基体中引入石墨烯，不但保留了TiC高硬度的特性，而且石墨烯通过裂纹偏转、分支和弥合等增韧机制改善了TiC的本征脆性。2.本专利技术的石墨烯/碳化钛复合涂层具有减摩耐磨的优点。在复合涂层与对磨件摩擦过程中石墨烯在摩擦副界面形成具有自润滑和高结合特性的连续转移膜，有效阻止摩擦副间的直接接触，从而减小复合涂层的摩擦系数和磨损率。3.本专利技术的石墨烯/碳化钛复合涂层与工件间结合力好。复合涂层与工件间呈现冶金结合，进一步改善了石墨烯/碳化钛复合涂层在冲击载荷工况下的抗磨性能。附图说明图1为本专利技术制备石墨烯/碳化钛复合涂层的原理图。其中100为伺服控制系统，200为工具电极碳化钛半烧结体，300为工件，400为脉冲电源，500为工件表面放电点微熔池，600为烷基功能化石墨烯，700为煤油，800为小型螺旋桨，900为等离子体放电通道，110为石墨烯/煤油固液混合加工液，120为熔化的工具电极碳化钛半烧结体，130为石墨烯/碳化钛复合涂层。图2为实施例5所制备的石墨烯/碳化钛复合涂层的XRD图。图3为实施例5所制备的石墨烯/碳化钛复合涂层的Raman图。图4为实施例5所制备的石墨烯/碳化钛复合涂层的SEM图。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例1工具电极的制备用球磨混合的方法把粒度为0.2～2μm的碳化钛与硬酯酸锌(质量比99：1)均匀混合，所得的混合物在不锈钢模具中压制成型，成型压力为15MPa，上述压结体在Ar气氛保护下，700℃烧结1h，随炉冷却后得到用作工具电极的碳化钛半烧结体。实施例2与实施例1不同在于，成型压力为5MPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为3h。实施例3石墨烯/煤油固液混合加工液的配制石墨烯/煤油固液混合加工液由石墨烯600和煤油700固液两相组成。石墨烯与煤油混合前经过烷基功能化改性，本实施例是通过酰化活化和酰胺反应两步法在石墨烯表面稼接碳链长度为C12～C18的烷基官能团。石墨烯烷基功能化改性的步骤为：取1g表面含有-COO本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/碳化钛复合涂层，其特征在于，包括TiC主相和第二相；所述第二相包括石墨烯、Fe和Fe3C，所述TiC主相的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的70～90wt.％；所述第二相的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的10～30wt.％；所述石墨烯的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的0.1～1wt.％。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/碳化钛复合涂层，其特征在于，包括TiC主相和第二相；所述第二相包括石墨烯、Fe和Fe3C，所述TiC主相的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的70～90wt.％；所述第二相的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的10～30wt.％；所述石墨烯的含量为石墨烯/碳化钛复合涂层的0.1～1wt.％。2.根据权利要求1所述的石墨烯/碳化钛复合涂层，其特征在于，所述石墨烯/碳化钛复合涂层的厚度为2～30μm。3.一种石墨烯/碳化钛复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1.将工具电极碳化钛半烧结体和工件浸没于固液混合加工液中；S2.采用伺服控制系统，调整碳化钛半烧结体与工件的间隙，采用脉冲电源在碳化钛半烧结体与工件之间进行脉冲放电；S3.用小型螺旋桨在碳化钛半烧结体与工件间脉冲放电的整个过程中对工作液施加持续搅拌；S4.利用脉冲放电产生的能量使碳化钛半烧结体熔化并转移至工件表面微熔池，微熔池材料在重新凝固的过程中与分散于工作液中的石墨烯共沉积，最终在工件表面形成以TiC为主相，石墨烯、Fe和Fe3C为第二相的石墨烯/碳化钛复合涂层。4.根据权利要求3所述的石墨烯/碳化钛复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1所述碳化钛半烧结体是由99wt.％的碳化钛粉末和1wt.％的硬酯酸锌...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦永津，揭晓华，张留艳，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44