一种含Ag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Ag纳米粒子梯度耐磨涂层的制备方法，为Ti材料表面上含Ag纳米粒子梯度耐磨涂层的制备方法。该方法主要包括Ti材料的再结晶退火、表面机械研磨处理、磁控共溅射、热氧化。本发明专利技术通过具有良好润滑和韧性的Ag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Ti材料的摩擦磨损性能得到明显提高。

Preparation of a gradient wear-resistant coating containing Ag nanoparticles

The invention discloses a preparation method of gradient wear resistant coating containing Ag nanoparticles, which is a preparation method of gradient wear resistant coating containing Ag nanoparticles on the surface of Ti material. The method mainly includes the recrystallization annealing of Ti materials, surface mechanical grinding, magnetron co sputtering, and thermal oxidation. Through the combination of the invention has good lubricating and toughness of Ag nanoparticles and high hardness TiO2 with high toughness and high hardness wear-resistant surface, at the same time through the design and the gradient coating effectively improve the interface between the coating and the base metal stress, improve the bond between the coating and the substrate, so that the friction and wear properties of Ti materials improved.

【技术实现步骤摘要】
一种含Ag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Ti材料表面一种含有Ag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材料耐磨性较差、易擦伤及粘附限制了其推广应用。对Ti材料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。涂层与基体之间的界面结合力对涂层的寿命至关重要，为降低界面应力，设计一系列的结构呈现梯度变化的多层界面构成的梯度涂层是目前的一个研究热点。中国专利公开号CN104480464A，公开日2015年4月1日，专利技术创造的名称为一种在Ti合金表面激光熔覆Ti-Si梯度耐磨涂层的方法。该申请案公开了一种在Ti合金表面制备Ti-Si梯度耐磨涂层的方法，在Ti材料表面自下而上依次激光熔覆单相αTi打底层→亚共晶Ti-Si中间层→过共晶Ti-Si表面层形成三层涂层结构。通过梯度涂层中Si含量的逐渐增加使涂层中的Ti5Si3硬质相析出量呈现梯度变化，降低涂层与Ti合金基体之间的热物理相容性和组织应力，从而达到降低涂层开裂倾向，提高梯度涂层整体韧性和与基体结合力的效果。其不足之处在于该方法主要是依靠高硬度的脆性Ti5Si3硬质相来增强Ti材料的耐磨性，但是在服役条件下，尤其是大载荷条件下，脆性增强相容易开裂而导致涂层失效。中国专利公开号CN105648499A，公开日2016年6月8日，专利技术创造的名称为一种Ti合金表面梯度减摩耐磨涂层及其制备方法。该申请案公开了一种Ti合金表面梯度减摩耐磨涂层的制备方法：首先，通过等离子体电解氧化处理获得间隙分布超高分子量聚乙烯微粒的氧化陶瓷涂层；其次，采用提拉成膜在氧化陶瓷表面制备一层超高分子量聚乙烯膜从而在Ti合金表面获得由两层涂层组成的梯度涂层。氧化陶瓷涂层的放电孔中，均匀布满了超高分子量聚乙烯微粒，氧化陶瓷涂层的陶瓷相与超高分子量聚乙烯涂层完全融合，保证了涂层既有较高的硬度，又有很低的摩擦系数，耐磨性能大幅提高。该方法的不足之处在于，在摩擦过程中尤其是大载荷的干摩擦条件下，接触区由摩擦热引起的瞬间温升(闪温)很高，在超过聚乙烯熔点(～130℃)时很容易导致涂层失效。前人研究成果表明，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.Feng,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Ti材料表面制备出一种涂层，其特征为(1)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；(2)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，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、磁控共溅射与热氧化应用于制备Ti材料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、磁控共溅射与热氧化应用到Ti材料表面梯度耐磨涂层的制备中，通过具有良好润滑和韧性的Ag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Ti材料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Ti材料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Ti材料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Ti材料进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的Ti材料，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Ti材料置于密闭真空容器顶部，底部放置不锈钢球，对Ti材料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Ti材料采用丙酮超声清洗3～10分钟，随后，将Ti材料固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料表面中心与Ag靶和Ti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Ag靶和纯度至少为99.95wt％的Ti靶进行溅射清洗3～10分钟，溅射清洗时采用挡板装置隔开Ti材料；随后，调节气压至0.8～6Pa，调节功率至50～350W，移开挡板，进行Ag靶和Ti靶的共溅射，溅射时通过分别调整Ag靶和Ti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Ag/Ti复合涂层；(5)对(4)处理好的Ti材料在空气中进行热氧化处理，选择的温度低于Ti材料的再结晶温度，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Ag/TiO2复合层厚度为2～30μm，纳米Ag粒子尺寸为5-30nm。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，其中最表层为纳米晶的Ti材料；随后，通过磁控共溅射获得了纳米Ag/纳米Ti材料的复合表层；通过选择在低于Ti材料再结晶温度下进行热氧化，最表层的Ti材料转变为TiO2，而抗氧化的纳米Ag则保持不变，形成Ag/TiO2复合表层，通过具有良好润滑和韧性的Ag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；其次在Ag/TiO2复合表层之下，由于热氧化的作用及TiO2为致密氧化层结构，有效阻止了Ti材料的进一步氧化，同时由于热氧化的温度选择在Ti材料的再结晶温度以下，在亚表层的梯度结构Ti材料基本保持不变，这种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Ti材料的摩擦磨损性能得到明显提高，本方法可广泛用于金属材料表面梯度结构涂层的制备。附图说明图1为纯Ti表面梯度结构涂层示意图。图2为纯Ti在表面机械研磨处理后、共溅射Ag和Ti、热氧化后的X射线衍射图谱。图3为纯Ti在表面机械研磨处理后、共溅射Ag和Ti、热氧化后获得的涂层最表层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含Ag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Ti材料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Ti材料进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的Ti材料，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Ag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Ti材料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Ti材料进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的Ti材料，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Ti材料置于密闭真空容器顶部，底部放置不锈钢球，对Ti材料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Ti材料采用丙酮超声清洗3～10分钟，随后，将Ti材料固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料表面中心与Ag靶和Ti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Ag靶和纯度至少为99.95wt％的Ti靶进行溅射清洗3～10分钟，溅射清洗时采用挡板装置隔开Ti材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：闻明，张蕊，赵飞，王鲁宁，谭志龙，王传军，郭俊梅，李艳琼，程勇，张俊敏，
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