一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法技术

本发明专利技术提供了一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法，按如下步骤操作：A、冷喷涂：通过控制Al粉和Ti粉的混合比例，在钛合金基体表面制备Al浓度梯度的Ti‑Al合金过渡层和纯Al的中间层；B、化学转化：在纯Al的中间层表面制备主要组成为氧化铝的耐磨绝缘涂层。该制备方法采用低功耗的冷喷涂技术和环保的低成本化学转化法，工艺简单，经济实惠，改善了钛合金的抗磨损和电偶腐蚀性能，促进钛合金的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法
本专利技术属于材料表面处理
，具体涉及一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法。
技术介绍
钛合金具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点，是一种潜在的结构钢替代材料，正被越来越多的应用于各个领域。尤其是它的抗海洋环境腐蚀性能更是其他金属材料无法相比的，被称为“海洋金属”，已经在船舶、深潜器、深海空间站、海上钻进平台等多处关键部位应用。钛合金优异的耐蚀性源自于其表面形成的保护性极好的氧化膜，但是这层氧化膜很薄，却不耐磨，在中等载荷和转速下很容易被擦伤而导致钝化膜的破坏。此外，钛合金电位较正，在实际应用时难免与其它低电位金属接触发生电偶腐蚀，使得与其电连接的铜合金、钢等结构或零件腐蚀加剧。随着国家海洋战略的发展，钛合金的应用更加急迫。因此，改善钛合金的耐磨性和电偶腐蚀问题尤为迫切。不改变钛合金力学性能的前提下改善其耐磨性能和电偶腐蚀问题，涂层技术无疑是最好的选择。如利用等离子表面改性技术可以降低钝化层与去钝化层后的电极电位差，改善钛合金表面的耐磨性，明显减小磨损量。张云露等采用双层辉光等离子表面冶金技术对Ti6Al4V钛合金进行了W-O共渗，获得的沉积层和扩散层明显改善了钛合金的耐磨性能。中国专利技术专利201210216709.6“一种钛合金表面抗高温氧化和耐磨损的氧化物梯度涂层的制备方法”通过双辉等离子表面冶金技术在钛合金表面制备了Al-Cr-Ni合金层，然后对Al-Cr-Ni合金层进行离子渗处理，形成的涂层抗高温氧化、耐磨损，且涂层通过Al-Cr-Ni合金层与基体实现了冶金结合，结合强度高。中国专利技术专利201310163862.1“一种钛合金表面抗高温氧化和耐磨损的复合涂层的制备方法”采用加弧辉光离子渗镀技术、粉末包埋渗和离子渗氧技术结合，获得了耐磨损的抗高温氧化复合涂层。中国专利技术专利201810805265.7“一种钛合金表面自润滑耐磨复合陶瓷涂层及其制备方法”，所述的自润滑耐磨复合涂层主要由高硬度的耐磨陶瓷相氧化铝和低摩擦系数填充相石墨组成。中国专利技术专利201810879428.6“一种在钛材料表面制备陶瓷和氧化石墨烯复合膜层的方法”所述的陶瓷和氧化石墨烯复合膜层是将微弧氧化陶瓷膜层置于石墨烯溶胶中进行反复浸渍提拉制备而成，具有较好的耐磨性能。以上两个专利所述陶瓷膜层采用的制备方法均是微弧氧化法。微弧氧化技术已经普遍用于铝合金和钛合金表面陶瓷膜的制备，往往用于防腐和绝缘，而钛合金表面的微弧氧化膜层用于绝缘居多，但是耐磨性能往往达不到要求，上述专利解决了耐磨问题，可是绝缘性能又下降。综上所述，无论是离子渗还是微弧氧化技术都可以在钛合金制备耐磨性较好的复合涂层，然而没有既耐磨又绝缘的涂层符合钛合金在海洋工程防止电偶腐蚀和磨损的使用要求，且微弧氧化和离子渗技术功耗大，经济成本较高。针对以上专利技术的不足，研发新的耐磨涂层工艺方法非常必要，所以，探索功耗小、成本低的冷喷涂技术和化学转化技术的有机结合，采用较低的成本和简单的操作工艺在钛合金表面制备一种耐磨绝缘涂层成为研究课题。中国专利申请201810463275.7公开了钛合金基体表面高硬耐磨涂层制备方法，是先采用冷气动力喷涂技术，在表面粗化处理并预热的钛合金基体上喷涂圆球形H13粉末，形成厚度50～105μm的H13涂层，再将钴合金粉末采用激光熔覆技术熔覆在H13涂层表面，得到钴合金熔覆涂层。本专利技术将冷气动力喷涂技术与激光熔覆技术相结合，在钛合金基体表面制备出高硬耐磨金属复合涂层。冷喷涂技术是一种以预热压缩气体(氮气、氦气或混合气体)为加速介质，带动金属颗粒在固态下以极高的速度撞击基体，通过金属颗粒发生强烈塑性变形的方式沉积形成涂层的技术。金属颗粒在沉积过程不发生冶金现象，而是在保持固态的情况下通过塑性变形的方式与基体形成物理结合，避免了热喷涂沉积过程中可能发生的成分、组织结构的变化，因此适用于温度敏感材料(如纳米材料、非晶材料等)、易氧化材料(如铝、铜、钛等)和易相变材料(如碳基复合材料等)的涂层制备。化学转化法中的无磷转化膜技术：硅烷偶联剂转化膜、氟锆酸盐转化膜、稀土盐转化膜、植酸转化膜与生化转化膜等是目前的市场主流。硅烷偶联剂转化膜具有优异的防腐性能，但其水解过程易发生自身聚合反应，影响使用寿命，且其对涂料具有较强的选择性；氟锆酸盐转化膜无磷(不会产生磷化渣)、不需加热(节约能源)、可以处理多种金属基材，但氟锆酸盐转化膜与涂层附着力较差；稀土盐转化膜虽然对环境友好，但抗腐蚀性较差，厚度较小；植酸转化膜无毒无害，但也存在耐腐蚀性不佳等缺点。所以，本专利技术旨在提供一种方法简单，功耗小，成本低，能够将冷喷涂技术与化学转化法有机结合，制得既耐磨又绝缘的，符合钛合金在海洋工程防止电偶腐蚀和磨损的使用要求的一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种方法简单，功耗小，成本低，能够将冷喷涂技术与无磷转化膜技术有机结合，制得符合钛合金在海洋工程防止电偶腐蚀和磨损的使用要求的，涂层附着力强，既耐磨又绝缘的一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法。为解决上述问题，本专利技术提供了一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法，其特征在于，按如下步骤操作：A、冷喷涂：通过控制Al粉和Ti粉的混合比例，在钛合金基体表面制备Al浓度梯度的Ti-Al合金过渡层和纯Al的中间层；B、化学转化：在纯Al的中间层表面制备主要组成为氧化铝的耐磨绝缘涂层。进一步的，Ti-Al合金过渡层，按如下步骤操作：步骤1：先对钛合金表面进行机械喷砂处理，使表面微观不平整；步骤2：调节Al粉和Ti粉的质量比为1∶1，使其均匀混合，粉末纯度不低于99.95％，粒径为10um～100um；采用冷喷涂的方法在钛合金表面制备厚度为5～10um的TiAl金属涂层，其中冷喷涂的工艺参数为：采用气体为压缩氮气，喷涂压力为2.8～3.2MPa，气体预热温度400℃，喷嘴前端距基材表面距离20mm，喷嘴横向移动速度10mm/s；步骤3：将喷涂后的试件进行温度为500～600℃的热扩散处理约3～10小时，使钛合金表面与TiAl涂层冶金结合，TiAl涂层以TiAl间金属化合物为主；步骤4：再次调节Al粉和Ti粉的质量比为3∶1，使其均匀混合；然后在TiAl涂层表面按照步骤2的工艺参数进行第二道冷喷涂层制备，涂层厚度5～10um；步骤5：将喷涂后的试件进行温度为600～800℃的热扩散处理约3～5小时，使冷喷的涂层中的Ti、Al含量从钛合金表面到与TiAl涂层表面呈现梯度分布，Ti在涂层中含量逐渐减小，而Al的含量逐渐增大，形成阶梯浓度梯度的Ti-Al合金过渡层。进一步的，纯Al的中间层的制备，按如下步骤操作：步骤6：采用纯度大于99.5％的Al粉，然后在Ti-Al合金过渡层表面按照步骤2的工艺参数进行第三道冷喷涂层制备，涂层厚度10～20um，形成纯Al的中间层。进一步的，耐磨绝缘涂层的制备，按照如下步骤进行：(1)先采用1000#水磨砂纸将纯Al的中间层进行打磨，使其表面微观本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法，其特征在于，按如下步骤操作：/nA、冷喷涂：通过控制Al粉和Ti粉的混合比例，在钛合金基体表面制备Al浓度梯度的Ti-Al合金过渡层和纯Al的中间层；/nB、化学转化：在纯Al的中间层表面制备主要组成为氧化铝的耐磨绝缘涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种钛合金耐磨绝缘涂层制备方法，其特征在于，按如下步骤操作：
A、冷喷涂：通过控制Al粉和Ti粉的混合比例，在钛合金基体表面制备Al浓度梯度的Ti-Al合金过渡层和纯Al的中间层；
B、化学转化：在纯Al的中间层表面制备主要组成为氧化铝的耐磨绝缘涂层。


2.根据权利要求1所述钛合金耐磨绝缘涂层制备方法，其特征在于，
Ti-Al合金过渡层，按如下步骤操作：
步骤1：先对钛合金表面进行机械喷砂处理，使表面微观不平整；
步骤2：调节Al粉和Ti粉的质量比为1∶1，使其均匀混合，粉末纯度不低于99.95％，粒径为10um～100um；采用冷喷涂的方法在钛合金表面制备厚度为5～10um的TiAl金属涂层，其中冷喷涂的工艺参数为：采用气体为压缩氮气，喷涂压力为2.8～3.2MPa，气体预热温度400℃，喷嘴前端距基材表面距离20mm，喷嘴横向移动速度10mm/s；
步骤3：将喷涂后的试件进行温度为500～600℃的热扩散处理约3～10小时，使钛合金表面与TiAl涂层冶金结合，TiAl涂层以TiAl间金属化合物为主；
步骤4：再次调节Al粉和Ti粉的质量比为3∶1，使其均匀混合；然后在TiAl涂层表面按照步骤2的工艺参数进行第二道冷喷涂层制备，涂层厚度5～...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慧霞，邢路阔，李相波，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37