一种含Au纳米粒子梯度耐磨涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含Au纳米粒子梯度耐磨涂层的制备方法，为工业纯Ti表面上含Au纳米粒子梯度耐磨涂层的制备方法。该方法主要包括工业纯Ti的再结晶退火、表面机械研磨处理、磁控共溅射、硝酸选择性溶解、热氧化。本发明专利技术通过具有良好润滑和韧性的Au纳米粒子和高硬度的TiO2的结合获得具有高韧性和高硬度的耐磨表层，同时通过设计并获得的梯度涂层有效改善涂层与金属基体之间界面应力、提高了涂层与基体的结合，从而使工业纯Ti的摩擦磨损性能得到明显提高。

【技术实现步骤摘要】
一种含Au纳米粒子梯度耐磨涂层的制备方法
本专利技术涉及一种耐磨涂层的制备方法，特别涉及工业纯Ti表面一种含有Au纳米粒子的梯度耐磨涂层的制备方法，属于表面改性领域。
技术介绍
Ti材料因其低密度、高比强度、优异的抗腐蚀性、耐高温、无磁性、生物相容性好等特点，在航空航天、海洋工程、石油化工、医疗、体育运动器具等领域的应用日益广泛。但是Ti材料尤其是工业纯Ti耐磨性较差、易擦伤及粘附限制了其推广应用。对工业纯Ti进行表面改性以增强其耐磨性成为该领域的一个研究热点。涂层表面组成对其性能具有重要影响，为达到改善工业纯Ti耐磨性的目的，设计并制备复合涂层是目前的一个研究热点。中国专利公开号CN105386040A，公开日2016年3月9日，专利技术创造的名称为一种在Ti合金表面制备WC/石墨复合涂层的方法。该申请案公开了一种在Ti合金表面制备WC/石墨复合涂层的方法：一、对Ti合金基材进行表面预处理去除表面氧化膜；二、将碳化钨粉末和金刚石粉末混合均匀，得到混合粉末，然后向混合粉末中加入聚乙烯醇水溶液搅拌均匀，得到熔覆材料；三、将熔覆材料预置于Ti合金基材表面，烘干后得到预置层；四、对具有预置层的Ti合金基材表面进行激光熔覆处理，制备得到WC/石墨复合涂层。本专利技术通过激光熔覆处理过程产生的热量使Ti合金基材表面预置层中的金刚石发生同素异构转变生成石墨，克服现有技术中不能通过激光技术制备石墨涂层的缺陷，在Ti合金表面制备得到WC/石墨复合涂层，在改善Ti合金表面耐磨性能的同时降低其摩擦系数。其不足之处在于该方法主要是仅考虑了涂层表面高硬度(WC)与润滑材料(石墨)的结合获得耐磨表层，而未考虑涂层与基体的界面结合，涂层与基体热膨胀系数差异容易导致内应力的变化而导致涂层失效；同时在大气环境下，摩擦过程中产生的瞬时高温(闪温)也容易造成石墨的氧化而失效。中国专利公开号CN105904167A，公开日2016年8月31日，专利技术创造的名称为两级原位自生Ti合金表面可控耐磨涂层的制备方法。该申请案公开了一种Ti合金表面可控耐磨涂层的制备方法：一、混粉：按质量百分比将TiB2粉和TC4Ti合金粉进行球磨混粉，得到混好的复合粉末；二、热压烧结：将混好的复合粉末装入真空热压烧结炉中进行热压烧结，得到原位自生的高硬质相含量复合材料；三、切割薄片：将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成薄片，并用砂纸打磨去掉表面杂质，得到表面光滑的薄片；四、熔覆：将表面光滑的薄片平铺在TC4Ti合金表面，然后在氩气保护的条件下置于钨极氩弧焊机下进行熔覆，得到覆有耐磨涂层的TC4Ti合金。本专利技术的涂层采用TiB2与TC4Ti合金的混合粉末进行制备，由于涂层中含有与基体成分一致的TC4Ti合金从而有效降低了涂层与金属基体的界面应力，同时钨极氩弧熔覆可在大气环境中进行，工艺简单，可提高效率降低成本。该方法的不足之处在于，由于涂层是采用真空热压得到烧结锭坯，再采用切割成薄片，这就限制了薄片的厚度下限不能太薄(该专利技术中薄片厚度大于0.5mm)，从而导致最终的涂层下限不会太薄，而通常功能涂层在几百纳米甚至几微米以上就能发挥效果，该专利技术的涂层厚度局限造成了一定的材料浪费。根据前人研究成果，贵金属Au、Ag、Pd等的纳米粒子具有良好的润滑性能，有效降低了基体材料的磨损速率(S.W.Zhang,L.T.Hu,H.Z.Wang,D.P.Alng,TribologyInternational,55(2012)1-6.)。贵金属在宽的温度范围内具有低剪切强度、良好的热化学稳定性及抗氧化性，即使在高温环境下也保持了良好的润滑性能；而传统的润滑材料如石墨、MoS2材料在350℃以上发生快速氧化而失效(C.P.Mulligan,D.Gall,SurfaceandCoatingsTechnology,200(2005)1495-1500.)。Au、Ag在碳化物、氮化物、氧化物、金属合金中均具有良好的润滑性能。(C.P.Mulligan,T.A.Blanchet,D.Gall,Wear,269(2010)125-131.)。我们在实验过程也发现，并不是材料硬度越高，耐磨性越好，对于脆性的高硬度材料而言，材料越脆，裂纹扩展越快，会加速材料损失。如果能在工业纯Ti表面制备出一种涂层，其特征为：一、表面具有高硬度的同时也具有良好的韧性，即实现硬度与韧性的最佳配合；二、同时从涂层表面到金属基体材料结构呈现梯度变化，即有效降低界面应力，工业纯Ti构件的摩擦性能将得到显著提高。检索大量文献资料后，至今未见有表面机械研磨处理、磁控共溅射、硝酸选择性溶解与热氧化应用于制备工业纯Ti表面梯度耐磨涂层的相关报道。本专利技术将表面机械研磨处理、磁控共溅射、硝酸选择性溶解与热氧化应用到工业纯Ti表面梯度耐磨涂层的制备中，通过具有良好润滑和韧性的Au纳米粒子和高硬度的TiO2的结合获得具有高韧性和高硬度的耐磨表层，同时通过设计并获得梯度涂层有效改善涂层与金属基体之间界面应力、提高涂层与基体的结合，从而使工业纯Ti的摩擦磨损性能得到明显提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的工业纯Ti表面梯度耐磨涂层制备方法，制备出涂层与金属基体具有良好冶金结合的表面梯度耐磨涂层。其制备过程按下列步骤进行：(1)对工业纯Ti进行机械抛光处理并采用丙酮超声清洗3～10分钟，随后在真空条件下对工业纯Ti进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的工业纯Ti，再结晶退火处理的温度为700～900℃，处理时间为1～4h，真空度为1x10-3～1x10-4Pa；(2)将经过步骤(1)预处理的工业纯Ti置于密闭真空容器顶部，底部放置不锈钢球，对工业纯Ti进行表面机械研磨处理，钢球的数量为200～300颗，钢球直径为6～8mm，表面机械研磨处理时间为30～120min，振动频率为50Hz；(3)将步骤(2)处理好的工业纯Ti采用丙酮超声清洗3～10分钟，随后，将工业纯Ti固定于磁控溅射源系统的样品台上，工业纯Ti表面中心与Au靶和Al靶表面中心距离相等，距离为30～60mm；(4)采用双磁控溅射源系统，抽真空至1x10-3Pa以下，随后通入Ar气，气压调节至0.5～2Pa，功率调节为20～100W，对纯度至少为99.99wt％的Au靶和纯度至少为99.95wt％的Al靶进行溅射清洗3～10分钟，溅射清洗时采用挡板装置隔开工业纯Ti；随后，调节气压至0.8～6Pa，调节功率至50～350W，移开挡板，进行Au靶和Al靶的共溅射，溅射时通过分别调整Au靶和Al靶所在的磁控溅射源的功率得到功率的不同配比，共溅射时间为0.5～3小时，从而实现制备出不同成分配比、不同厚度的Au/Al复合涂层；(5)对(4)处理好的工业纯Ti在5～20wt％的硝酸溶液中浸泡5～30min，除去沉积的Al，得到多孔Au层；(6)对(5)处理好的工业纯Ti在空气中进行热氧化处理，选择的温度低于工业纯Ti的再结晶温度，处理时间为1～3h，得到所需的梯度涂层。本专利技术的梯度涂层其最表层的Au/TiO2复合层厚度为1～20μm，纳米Au粒子尺寸为2-40nm。本专利技术的优点是，首先，本专利技术中首先通过表面机械研磨处理获得晶粒尺寸从最表面到基体芯部呈现梯度变化的梯度结构层，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含Au纳米粒子梯度耐磨涂层的制备方法，其特征在于，由下列加工工艺步骤构成：(1)对工业纯Ti进行机械抛光处理并采用丙酮超声清洗3～10分钟，随后在真空条件下对工业纯Ti进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的工业纯Ti，再结晶退火处理的温度为700～900℃，处理时间为1～4h，真空度为1x 10

【技术特征摘要】
1.一种含Au纳米粒子梯度耐磨涂层的制备方法，其特征在于，由下列加工工艺步骤构成：(1)对工业纯Ti进行机械抛光处理并采用丙酮超声清洗3～10分钟，随后在真空条件下对工业纯Ti进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的工业纯Ti，再结晶退火处理的温度为700～900℃，处理时间为1～4h，真空度为1x10-3～1x10-4Pa；(2)将经过步骤(1)预处理的工业纯Ti置于密闭真空容器顶部，底部放置不锈钢球，对工业纯Ti进行表面机械研磨处理，钢球的数量为200～300颗，钢球直径为6～8mm，表面机械研磨处理时间为30～120min，振动频率为50Hz；(3)将步骤(2)处理好的工业纯Ti采用丙酮超声清洗3～10分钟，随后，将工业纯Ti固定于双磁控溅射源系统的样品台上，工业纯Ti表面中心与Au靶和Al靶表面中心距离相等，距离为30～60mm；(4)采用双磁控溅射源系统，抽真空至1x10-3Pa以下，随后通入Ar气，气压调节至0.5～2Pa，功率调节为20～100W，对纯度至少为99.99wt％的Au靶和纯度至少为99.95wt％的Al靶进行溅射清洗3～10分钟，溅射清洗时采用挡板装置隔开工业纯Ti；随后，调节气压至0.8～6Pa，调节功率至50～35...

【专利技术属性】
技术研发人员：闻明，王鲁宁，赵飞，张蕊，谭志龙，王传军，郭俊梅，李艳琼，程勇，沈月，
申请(专利权)人：昆明贵金属研究所，
类型：发明
国别省市：云南,53