一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于表面强化和表面改性领域，公开了一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备方法和应用。该涂层以多尺度碳化钛颗粒为增强相，铜和铜‑钛金属间化合物为基体，碳化钛颗粒的质量分数为50～75％，铜和钛铜金属间化合物的质量分数为25～50％。涂层的制备包括以下步骤：将烧结钛电极和铜基体分别装夹于火花机床的负极和正极，并浸没于石墨烯‑火花油混合介质中，设置火花放电参数，制得含有大粒径碳化钛颗粒的铜基复合涂层；继而进行时效处理，最终得到复合涂层。该涂层硬度为1100‑1300HV

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备方法和应用
本专利技术属于表面强化和表面改性领域，特别涉及一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
铜及其合金具有良好的导电性、导热性、塑性及抗疲劳性能，因此被广泛地应用于电力、冶金、机械、航空、航天等领域。然而，低硬度和较差的耐磨性仍然限制了铜及其合金的工业应用。尤其是铜材料在无润滑介质条件下容易造成严重的黏着磨损，使铜摩擦组件的工程应用受到很大限制。铜表面改性技术既可以保持铜本身良好的导电、导热性，又可以通过表面改性技术来增强其表面硬度、耐蚀性、耐磨性等。由于硬度高，热稳定性好、对铜基体的导电性、导热性损伤少等优点，碳化钛颗粒常作为增强体强化铜基复合材料。已有的研究和实践表明碳化钛颗粒的大小、形貌、在铜基体中的分布状态、碳化钛/铜界面结合情况等因数对复合材料的性能有很大的影响。此外，目前碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的主要制备方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法、热喷涂方法、冷喷涂、激光熔覆等。然而这些方法存在生产条件苛刻、生产效率低、涂层/基体结合强度低等不足。因此开发具有新型显微组织的碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备技术是亟待解决的问题并具有广阔的应用前景。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本专利技术的首要目的在于提供一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层。本专利技术的再一目的在于提供一种上述多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的制备方法。本专利技术的又一目的在于提供上述多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层，以多尺度碳化钛颗粒为增强相，铜和铜-钛金属间化合物为基体，其中多尺度碳化钛颗粒的质量分数为50～75％，铜和铜-钛金属间化合物的质量分数为25～50％。所述多尺度碳化钛颗粒包括液相火花放电原位生成的大粒径碳化钛颗粒和随后的热处理过程中析出的小粒径碳化钛颗粒，前者粒径为80～400nm，质量分数占多尺度碳化钛颗粒总质量分数的90～95％，后者粒径3～20nm，质量分数占多尺度碳化钛颗粒总质量分数的5～10％。所述多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的厚度为3～25μm。上述的一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：S1.将烧结钛电极和铜基体分别装夹于火花机床的负极和正极，并浸没于石墨烯-火花油混合介质中；S2.设置火花放电参数，利用火花放电产生的瞬时高热量使烧结钛电极、混合介质和铜基体三者发生反应，并使反应产物沉积于铜基体表面，制得含有大粒径碳化钛颗粒的铜基复合涂层；S3.将S2制得的复合涂层置于热处理炉中并进行时效处理，最终得到多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层。步骤S1所述石墨烯为经十八胺功能化改性石墨烯，其尺寸为0.05～5μm，其在石墨烯-火花油混合介质中的浓度为0.01～0.5g·L-1。步骤S2所述火花放电参数分别为峰值电流：5～15A，脉冲宽度：8～64μs，脉冲间隙：64～256μs，放电时间：10～60min。步骤S3所述时效处理的温度为400～600℃，保温时间为15～60min，热处理炉通有氮气保持气氛。上述的一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层在铜合金模具、铜基结晶器、电磁炮导轨中的应用。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1)本专利技术的涂层同时包含大粒径的碳化钛颗粒(80～400nm)和小粒径的碳化钛颗粒(3～20nm)；在摩擦过程中大粒径的碳化钛颗粒起到支撑作用，小粒径的碳化钛颗粒弥散强化铜基体，二者的协同作用使所制备的多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层具有较高的硬度，较好的耐磨损性能；2)采用含有石墨烯的火花油作为工作介质，并且石墨烯经过十八胺功能化改性，其在火花油中具有良好的分散性和稳定性；根据杂质放电理论，火花油中的石墨烯使得火花放电更加均匀和稳定，从而获得孔洞少、裂纹少的碳化钛颗粒增强铜基复合涂层；3)火花放电产生的瞬时高温使钛工具电极与火花油裂解的碳原子原位反应形成大粒径的碳化钛；此外，由于超快速的冷却速度，火花放电过程中形成了富含钛原子和碳原子的铜基过饱和固溶体，其在随后的时效处理中将析出弥散分布于铜基体的小粒径碳化钛颗粒和铜-钛金属间化合物；因此，本专利技术的涂层中的碳化钛颗粒都是原位自生的，有效解决了传统制备方法所面临的碳化钛颗粒与铜基体不润湿、分布不均匀等难题。附图说明图1为本专利技术一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的结构示意图，其中，1为铜基体，2为小粒径的碳化钛颗粒，3为铜钛金属间化合物，4为大粒径的碳化钛颗粒，5为多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层。具体实施方法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将烧结钛电极和铜基体分别装夹于火花机床的负极和正极，并浸没于石墨烯-火花油混合介质中；石墨烯-火花油混合介质配制过程如下：称取1.5g经十八胺功能化改性石墨烯粉末(尺寸为0.05～5μm)置于10L通用火花油中，经超声波分散30min后即可制得浓度为0.15g·L-1的石墨烯-火花油混合介质。火花放电参数设置如下：峰值电流为10A，脉冲宽度为8μs，脉冲间隙为256μs，放电时间为30min。制得含有大粒径碳化钛颗粒的铜基复合涂层。实施例2与实施例1的不同在于：石墨烯-火花油混合介质中石墨烯的浓度为0.01g·L-1，火花放电参数设置如下：峰值电流为15A，脉冲宽度为16μs，脉冲间隙为128μs，放电时间为10min。实施例3与实施例1的不同在于：石墨烯-火花油混合介质中石墨烯的浓度为0.5g·L-1，火花放电参数设置如下：峰值电流为5A，脉冲宽度为64μs，脉冲间隙为256μs，放电时间为60min。实施例4将实施例1制得含有大粒径碳化钛颗粒的铜基复合涂层，置于热处理炉中，炉内通有氮气保持气氛，加热至500℃，保温30min，随炉冷却后得到多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层。涂层中碳化钛颗粒的质量分数为65％，铜和铜-钛金属间化合物的质量分数为35％。液相火花放电原位生成的碳化钛粒径为80～400nm，质量分数占碳化钛颗粒总质量分数的93％，热处理过程中析出的碳化钛粒径为3～20nm，质量分数占碳化钛颗粒总质量分数的7％。图1为本专利技术一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的结构示意图。其中，1为铜基体，2为小粒径的碳化钛颗粒，3为铜钛金属间化合物，4为大粒径的碳化钛颗粒，5为多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层。制得的涂层平均厚度10微米，涂层显微硬度为1384HV0.2。摩擦磨损测试条件如下：大气气氛下干摩擦，球-盘接触模式，载荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层，其特征在于：以多尺度碳化钛颗粒为增强相，铜和铜-钛金属间化合物为基体，其中多尺度碳化钛颗粒的质量分数为50～75％，铜和铜-钛金属间化合物的质量分数为25～50％。/n

【技术特征摘要】
1.一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层，其特征在于：以多尺度碳化钛颗粒为增强相，铜和铜-钛金属间化合物为基体，其中多尺度碳化钛颗粒的质量分数为50～75％，铜和铜-钛金属间化合物的质量分数为25～50％。


2.根据权利要求1所述的一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层，其特征在于：所述多尺度碳化钛颗粒包括液相火花放电原位生成的大粒径碳化钛颗粒和随后的热处理过程中析出的小粒径碳化钛颗粒，前者粒径为80～400nm，质量分数占多尺度碳化钛颗粒总质量分数的90～95％，后者粒径3～20nm，质量分数占多尺度碳化钛颗粒总质量分数的5～10％。


3.根据权利要求1所述的一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层，其特征在于：所述多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的厚度为3～25μm。


4.根据权利要求1所述的一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.将烧结钛电极和铜基体分别装夹于火花机床的负极和正极，并浸没于石墨烯-火花油混合介质中；
S2.设置火花放电参数，利用火花放电产生的瞬时高热量使烧结钛电极、混合介...

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