一种钛合金表面自润滑复合涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及表面改性技术领域，具体提供了一种钛合金表面自润滑复合涂层及其制备方法与应用，包括以下步骤：采用3D打印技术在氮气气氛中，在钛合金基材表面制备具有多孔结构的氮化钛涂层；将润滑相与粘结相刷涂在涂层表面；再通过加热固化，冷却后即获具有优异摩擦学性能的自润滑复合涂层。该发明专利技术采用增材制造工艺在反应性气氛中，在钛合金表面直接打印出具有一定织构形貌的硬质碳化钛涂层后采用后处理手段引入固体润滑剂。本发明专利技术获得的硬质氮化钛涂层和润滑相的协同作用，实现了其在高速、高载与长效润滑与耐磨。本发明专利技术简单可靠、可操作性强，得到的复合涂层具有低摩擦因数、高抗磨损能力，并有效延长金属基材的服役寿命、节省能源。节省能源。节省能源。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面自润滑复合涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及表面改性
，具体一种钛合金表面自润滑复合涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]钛合金以其密度小、比强度高、抗腐蚀性能和生物相容性好等一系列优异的特性，成为航空航天、舰船、医疗器械及石油化工等领域不可或缺的重要材料。然而，较差的减摩、耐磨损性能已成为影响钛合金制品使用的关键。固体润滑涂层着眼于材料的表面性质，通过各种表面工程技术对材料表面的组成和结构进行再设计和制造，从而赋予材料表面特殊的润滑、耐磨和防护性能，是解决材料摩擦、磨损和润滑问题的最经济有效的途径之一。其中，将表面织构与润滑相结合是一种提高钛合金基材在苛刻工况下耐磨减摩性能的有效途径。目前将表面织构与表面涂层技术相结合的主要途是对基材表面进行织构成一定形貌(如菱形、三角形、圆形等)，然后再沉积润滑相。该方法是“减材”方式，不仅造成了材料资源的浪费，而且使得制备工艺过于复杂。此外，在高载荷(＞20N)工况下，钛合金的低硬度和较差的表面加工硬化能力会使钛合金磨屑黏附在摩擦界面，破坏润滑膜的存在，最终使涂层丧失润滑功能而失效。而氮化钛虽然能提高涂层的承载能力，但由于氮化钛脆性较大，在摩擦过程氮化钛易发生脆性断裂，而后成为磨屑，破坏摩擦界面品质，产生磨粒磨损而导致磨损加剧。
[0003]本专利技术针对钛合金涂层硬度低、表面加工硬化能力差、摩擦系数高和耐磨损性能差，而现有技术无法获得厚度与织构形貌可控的高硬度TiN层的问题，在3D打印过程中填充氮气，使钛合金粉末在熔融、凝固过程中与氮气发生反应，生成高硬度氮化钛层。最后，将固体润滑相(聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼等)与粘结剂混合后刷涂在织构表面，经过加热固化、冷却后即获得复合涂层。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种钛合金表面自润滑复合涂层的制备方法。
[0005]本专利技术再一目的在于提供上述钛合金表面自润滑复合涂层在减摩、耐磨方面的应用。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：
[0007]一种钛合金表面自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1：采用3D打印技术，在氮气气氛下，在钛合金基材上制备具有多孔结构的涂层；
[0009]S2：将润滑相粉末与胶粘剂充分混合后刷涂在涂层表面；
[0010]S3：通过加热固化、冷却后，即获得具有优异摩擦学性能的自润滑复合涂层。
[0011]步骤S1所述钛合金基材可以为Ti
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6Al
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4V、Ti
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5Al
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2.5Sn、Ti
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2Al
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2.5Zr、Ti
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32Mo、Ti
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Mo
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Ni等材料中的任意一种。
[0012]步骤S1所述3D打印技术为直接金属激光烧结、选择性激光熔化、电子束熔化、激光金属直接沉积等工艺中的任意一种。
[0013]步骤S1所述涂层的原料可以为Ti
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6Al
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4V、Ti
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5Al
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2.5Sn、Ti
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2Al
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2.5Zr、Ti
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32Mo、Ti
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Mo
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Ni等成分中的任意一种；
[0014]步骤S1所述的涂层厚度10～500μm，优选为100～400μm，更优选为150～300μm。
[0015]步骤S1所述的多孔形貌可以为三角形、矩形、菱形、六边形、球形等形貌中的至少一种。
[0016]步骤S2所述的润滑相为聚四氟乙烯、石墨、石墨烯和二硫化钼等材料中的至少一种；
[0017]步骤S2所述胶粘剂可以是聚酰亚胺、环氧树脂、磷酸铝和磷酸铝铬等材料中的至少一种。
[0018]步骤S2所述润滑相粉末与胶粘剂的质量比为4～10:1～4，优选为5～8:2～4，更优选为7:3。
[0019]S3所述加热固化的温度为100～300℃，固化时间为1.5～5h，优选的，所述加热固化为在100～150℃下保温1～3h，然后升温至250～30℃，保温0.5～2h。
[0020]所述钛合金表面自润滑复合涂层，通过上述方法制备得到。
[0021]所述钛合金表面自润滑复合涂层在减摩、耐磨方面的应用。
[0022]本专利技术所具有的有益效果为：
[0023](1)在反应性气氛(氮气)中进行增材制造作业，可实现原料粉末在熔融和凝固过程中与氮气反应，生成高硬度氮化钛，提高其承载能力。
[0024](2)利用刷涂传统工艺在上述涂层的孔内加入润滑相和粘结剂，经固化后形成的复合涂层结合了表面织构与表面涂层的优点，实现了长效减摩、耐磨功能。
[0025]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为本专利技术实施例1所得在钛合金基材上制备的具有六边形结构的氮化钛涂层表面扫描电镜图(a)，三维图(b)，涂层的二维曲线图(c)，截面扫描电镜图(d)，复合涂层表面扫描电镜图(e),复合涂层截面扫描电镜图(f)，在氩气环境下3D打印的具有六边形结构的钛合金涂层及EDS面分布(g),在氮气环境下3D打印的具有六边形结构的氮化钛涂层及EDS面分布(h)以及在氩气环境下3D打印的具有六边形结构的钛合金涂层(T
Ar
)、在氮气环境下3D打印的具有六边形结构的氮化钛涂层(T
N2
)和复合涂层(TP)XRD谱图(i)。
[0028]图2为本专利技术对比例1和对比例2分别所得的T
Ar
和T
N2
涂层的纳米压痕曲线(a),硬度值(b)，弹性模量(c)以及抵抗塑性变形能力(d)。
[0029]图3为本专利技术对比例1和对比例2分别所得T
Ar
、T
N2
和复合涂层(TP)的摩擦系数曲线
(a)以及复合涂层在不同速度(b)和不同载荷(c)下的摩擦系数曲线。
[0030]图4为本专利技术对比例1和对比例2分别所得T
Ar
、T
N2
和实施例1所得复合涂层(TP)的磨痕深度(a)与磨损质量损失(b)。
[0031]图5为钛合金、对比例3、对比例4、对比例5和对比例6的润滑性能。
[0032]图6为专利技术实施例1所得的复合涂层磨损后的形貌和元素分布。
[0033]图7为对比例7所得的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：采用3D打印技术，在氮气气氛下，在钛合金基材上制备具有多孔结构的涂层；S2：将润滑相粉末与胶粘剂充分混合后刷涂在涂层表面；S3：通过加热固化、冷却后，即获得具有优异摩擦学性能的自润滑复合涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1所述钛合金基材为Ti
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6Al
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4V、Ti
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5Al
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2.5Sn、Ti
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2Al
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2.5Zr、Ti
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32Mo和Ti
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Mo
‑
Ni中的任意一种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1所述3D打印技术为直接金属激光烧结、选择性激光熔化、电子束熔化和激光金属直接沉积工艺中的任意一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1所述涂层的原料为Ti
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6Al
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4V、Ti

【专利技术属性】
技术研发人员：李双建，谭僖，尹斌，张小锋，毛杰，邓春明，邓畅光，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：