一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法，属于表面处理领域。自润滑耐磨复合涂层主要是由高硬度的耐磨陶瓷相和低摩擦系数填充相组成，耐磨陶瓷相主要成分是氧化铝，低摩擦系数填充相是石墨。本发明专利技术是通过一步微弧氧化法在钛合金表面制得的自润滑耐磨复合涂层。所得到的钛合金表面自润滑耐磨复合涂层，不仅硬度高，而且摩擦系数低。在优化的工艺条件下膜层厚度可达到90μm，而且制备方法简单，制备效率高，优于现有工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法
本专利技术为表面处理
，尤其涉及到钛合金表面改性处理技术，具体涉及一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法。
技术介绍
随着现代航空工业的发展，尤其是高性能航空发动机的需要，钛(Ti)及其合金由于其高强度重量比，耐腐蚀性能好和优异的生物相容性而被用于许多行业，如航空航天，机械制造，生物医药等领域。但钛合金本身的硬度很低(HV不超过350)，表面摩擦系数高(约0.55)导致其耐磨性能很差，使得钛合金的应用受到很大限制。所以为了克服这些缺点，对钛合金表面进行改性越来越受到科学家的关注。传统的钛合金表面改性方法有热扩散、等离子喷涂、阳极氧化、离子注入、气相沉积、激光熔覆和渗镀等，这些方法在钛合金膜层质量、能源消耗、环境污染、生产效率和工艺复杂程度等方面存在着很多问题。这些方法主要问题有：阳极氧化表面韧性降低、热喷涂易产生表面过热、离子注入膜层太薄不超过0.1μm和气相沉积成本高膜层薄。所以这里可以采用新型的等离子体电解氧化(也叫微弧氧化)技术对钛合金表面陶瓷化，但是钛合金进行等离子体电解氧化技术形成的陶瓷涂层主要是TiO2，硬度较低(在500HV左右)，厚度较薄，致密性差，无法满足恶劣环境下的耐磨要求。专利CN103498181A公开了一种钛合金表面高硬度、自润滑膜层的制备方法。所述膜层是由微弧氧化形成的陶瓷膜和填充到表面的聚四氟乙烯组成，该复合膜层由于有聚四氟乙烯，耐蚀性能不错。但是表面是聚四氟乙烯，线膨胀系数大，在恶劣环境下的耐磨性能差，应用范围有限。缺点是厚度在10-40μm，硬度在350-800HV之间，不够厚，硬度也不够高。专利CN102199785A公开了一种钛合金微弧氧化溶液及其应用，溶剂采用KOH，NaSiO3、NaF、三乙醇胺和Na2B4O7，采用这种溶液配比制备得到了陶瓷涂层。缺点是该方法制得的膜层厚度仅有10～40μm，不够厚，而且陶瓷层主要成分是TiO2，硬度低。专利CN012560595A公开了一种在钛合金表面利用等离子电解氧化和水热法相结合的方式，制备二氧化钛和羟基磷灰石复合涂层。方法是先采用等离子电解氧化制备TiO2涂层，再采用水热法将羟基磷灰石长在TiO2表面。缺点是其电解液配比和方法最终制得的涂层厚度不足20μm。专利CN104562146A公开了一种在钛合金表面利用等离子电解氧化技术制备的陶瓷涂层。所述陶瓷涂层主要成分是TiO2，缺点是硬度低，而且所制得的涂层厚度只有10～35μm。
技术实现思路
本专利技术针对钛合金表面硬度低、耐磨涂层制备困难、摩擦系数高和膜层厚度薄等问题，提出了一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法。本专利技术的技术方案如下：耐磨复合涂层主要是由高硬度的陶瓷相和低摩擦系数填充相组成，陶瓷相主要成分是Al2O3，低摩擦系数填充相是石墨。一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层制备方法，具体步骤如下：步骤1，将钛合金片材打磨至光滑，并进行抛光，使Ra<1，依次用去离子水和酒精超声清洗表面油渍；步骤2：电解液制备，配制铝酸钠和磷酸钠电解液体系，加入氢氧化钠调节PH值；步骤3：在步骤2中配制好的电解液中加入氧化铝粉末和石墨粉末，并加入分散剂，搅拌使粉末均匀分布；步骤4：将步骤1得到的钛合金片，放入步骤3制得的电解液中，进行等离子体电解氧化处理。优选地，步骤2中，铝酸钠质量浓度为12g/L,磷酸钠质量浓度为1.6g/L，NaOH的质量浓度在1～3g/L。优选地，步骤3中氧化铝粉末质量为0.5～1.5g/L，石墨粉末质量为0.5～1.5g/L，分散剂的质量为0.01g/L。优选地，步骤4中等离子体电解氧化参数为电压500～600V，频率为400Hz，氧化时间为10～20min，电解液温度为15～25℃。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)通过电解液和掺杂颗粒工艺的优化，涂层厚度达90μm，优于现有工艺；(2)本专利技术制备的陶瓷膜层主要成分是Al2O3，硬度高于TiO2，更加耐磨(3)本专利技术制备的氧化铝基复合陶瓷膜中均匀分布着低摩擦系数的石墨颗粒，有效降低了所述钛合金自润滑复合膜的摩擦系数，表现出很好的减磨耐磨功能。附图说明图1为钛合金表面和钛合金表面自润滑耐磨涂层的摩擦系数示意图。图2为本专利技术方法制备的钛合金表面高硬度、自润滑和厚的耐磨复合涂层的SEM截面图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述。实施例1(1)依次使用80目、200目、400目、600目、800目和1200目的砂纸打磨掉钛合金片材的表面缺陷。然后将其抛光至镜面。(2)在超声清洗机中，在乙醇环境下超声清洗10min，去除表面残存的油污。(3)按以下重量配置1L电解液：12g/L铝酸钠，1.6g/L磷酸钠，1g/L的氢氧化钠。(4)称量1g氧化铝和1g石墨，放入(3)中配置好的电解液，加入0.01g分散剂十二烷基苯磺酸钠，搅拌30min，然后超声分散30min。(5)将(4)制得的样品进行恒压PEO处理。PEO工艺参数优选的电解参数为：初始电压500V，脉冲频率400Hz，PEO时间为15min；采用水冷却循环系统将电解液温度保持在20℃；操作过程中，用机械搅拌促进电解液的流动性。图1为实施例1条件下所制得的PEO涂层的摩擦系数，与纯钛合金相比，摩擦系数显著降低，达到了0.4左右。图2为实施例1条件下所制得复合涂层的SEM截面图，通过此图可看出涂层厚度在90μm左右，优于现有工艺。实施例2(1)依次使用80目、200目、400目、600目、800目和1200目的砂纸打磨掉钛合金片材的表面缺陷。然后将其抛光至镜面。(2)在超声清洗机中，在乙醇环境下超声清洗10min，去除表面残存的油污。(3)按以下重量配置1L电解液：12g/L铝酸钠，1.6g/L磷酸钠，2g/L的氢氧化钠。(4)称量0.5g氧化铝和1.5g石墨，放入(3)中配置好的电解液，加入0.01g分散剂十二烷基苯磺酸钠，搅拌30min，然后超声分散30min。(5)将(4)制得的样品进行恒压PEO处理。PEO工艺参数优选的电解参数为：初始电压550V，脉冲频率400Hz，PEO时间为10min；采用水冷却循环系统将电解液温度保持在20℃；操作过程中，用机械搅拌促进电解液的流动性。实施例3(1)依次使用80目、200目、400目、600目、800目和1200目的砂纸打磨掉钛合金片材的表面缺陷。然后将其抛光至镜面。(2)在超声清洗机中，在乙醇环境下超声清洗10min，去除表面残存的油污。(3)按以下重量配置1L电解液：12g/L铝酸钠，1.6g/L磷酸钠，3g/L的氢氧化钠。(4)称量1.5g氧化铝和0.5g石墨，放入(3)中配置好的电解液，加入0.01g分散剂十二烷基苯磺酸钠，搅拌30min，然后超声分散30min。(5)将(4)制得的样品进行恒压PEO处理。PEO工艺参数优选的电解参数为：初始电压600V，脉冲频率400Hz，PEO时间为20min；采用水冷却循环系统将电解液温度保持在20℃；操作过程中，用机械搅拌促进电解液的流动性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层，其特征在于，所述的复合涂层由耐磨陶瓷相和低摩擦系数填充相组成，并且耐磨陶瓷相制备在钛合金表面，低摩擦系数填充相均匀分布在陶瓷相中间。

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层，其特征在于，所述的复合涂层由耐磨陶瓷相和低摩擦系数填充相组成，并且耐磨陶瓷相制备在钛合金表面，低摩擦系数填充相均匀分布在陶瓷相中间。2.如权利要求1所述的自润滑耐磨复合陶瓷涂层，其特征在于，所述的耐磨陶瓷相的主要成分是Al2O3，次要成分是TiO2和Al2TiO5，低摩擦系数填充相为石墨。3.一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，具体方法步骤为：步骤1，将钛合金片材打磨至光滑，并进行抛光，使Ra<1，依次用去离子水和酒精超声清洗表面油渍；步骤2：电解液制备，配制铝酸钠和磷酸钠电解液体系，加入氢氧化钠；步骤3：在步骤2中配制好的电解液...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊党生，周亭飞，熊潇雅，李航，闫成旗，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32