專利名稱：一種鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鈦合金減摩耐磨技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈦合金材料因其密度低，質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，抗腐蝕性、耐熱性及非磁性優(yōu)良，低溫韌性及抗疲勞性良好等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“崛起的第三金屬”，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、發(fā)電、汽車、化工、冶金、醫(yī)療、生物及體育等領(lǐng)域。由于鈦合金硬度低、表面摩擦系數(shù)大、耐磨性較差從而導(dǎo)致粘性較大，自身潤(rùn)滑效果差等缺點(diǎn)的存在，使得鈦合金工件在安裝時(shí)容易產(chǎn)生黏結(jié)和咬死現(xiàn)象，使得鈦合金的應(yīng)用受到了一定的限制。隨著鈦合金在越來(lái)越多行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)它的要求也越來(lái)越高。但是鈦合金材料在自然條件下形成的氧化膜達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用需要。為了增強(qiáng)鈦合金對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，特別是減少摩擦，提高耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了多種表面處理工藝，目的是提高鈦合金表面的耐摩擦抗磨損性能，如:陽(yáng)極氧化、PVD/CVD、離子注入法、溶膠-凝膠、激光脈沖沉積、熱噴涂及熱氧化法、電陶瓷與微弧氧化、氣相沉積涂層、離子注入法、復(fù)合處理涂層及梯度涂層等方法。但以上鈦合金表面處理技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用中存在一些負(fù)面效應(yīng)，不能適應(yīng)發(fā)展高性能長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)要求。主要問(wèn)題有:電陶瓷有氫脆隱患、熱噴涂易產(chǎn)生表面過(guò)熱、陽(yáng)極氧化后表面層韌性降低、激光氮化處理易引起表面粗糙并有微裂紋出現(xiàn)、離子注入層淺約0.lum，壽命短等，因此，這里我們采用一種新興的表面處理技術(shù)-等離子體微弧氧化技術(shù)對(duì)鈦合金材料表面進(jìn)行陶瓷化處理，能有效地改善鈦合金在苛刻使用環(huán)境中的耐磨、耐蝕和抗高溫氧化性能。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、處理效率高、對(duì)環(huán)境污染小，具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值，對(duì)航空和航天的發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義。微弧氧化又稱微等離子體氧化或陽(yáng)極火花沉積，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的新技術(shù)，是 當(dāng)今陽(yáng)極氧化技術(shù)的多樣化，也是雙階段氧化、脈沖陽(yáng)極氧化等發(fā)展、應(yīng)用的結(jié)果。它是在Al、T1、Mg等有色金屬(也稱閥金屬)表面用等離子體化學(xué)和電化學(xué)原理產(chǎn)生微區(qū)弧光放電現(xiàn)象，突破傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化技術(shù)工作電壓的限制，把陽(yáng)極氧化的電壓由幾十伏提高列幾百伏、由小電流發(fā)展到大電流.由直流發(fā)展到交流，使樣品表面出觀電暈、輝光、微弧放電、火花斑等現(xiàn)象，從而對(duì)氧化層進(jìn)行微等離子體的高溫高壓處理，使非晶結(jié)構(gòu)的氧化層發(fā)生了相和結(jié)構(gòu)的變化，利用微弧區(qū)瞬間高溫?zé)Y(jié)作用直接在基體表面原位生長(zhǎng)陶瓷層，從而提高其表面性能。該技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、工藝環(huán)保經(jīng)濟(jì)、陶瓷層同基體結(jié)合強(qiáng)度高，且涂層厚度可控等優(yōu)點(diǎn)；此外，微弧氧化技術(shù)還可以對(duì)一些形狀復(fù)雜的工件(如圓筒、圓錐、球形及其它不規(guī)則形狀)內(nèi)表面進(jìn)行處理，解決了 PVD / CVD、離子注入等傳統(tǒng)方法的技術(shù)難題，受到了各國(guó)研究者的青睞。從報(bào)道的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)于鈦合金微弧氧化的研究只是起步階段，還處在探索制備簡(jiǎn)單功能膜以及探討膜厚度、硬度、減摩耐磨性等基本性質(zhì)的階段，沒(méi)有大量應(yīng)用。對(duì)于微弧氧化復(fù)合膜技術(shù)的研究就更少，尤其是在減摩耐磨性能的復(fù)合膜方面，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道甚少，但其它方法應(yīng)用于減摩耐磨性復(fù)合膜的研究較多。前蘇聯(lián)的Otkrytiya于1982年取得鈦合金硬質(zhì)陽(yáng)極氧化共生沉積聚四氟乙烯固體潤(rùn)滑劑的專利，其特點(diǎn)是采用了氧乙烯烷基酚非離子表面活性劑為乳化分散劑，它同時(shí)又是聚四氟乙烯微粒的載體。工藝包括采用一種陰離子氟表面活性劑，通過(guò)其在聚四氟乙烯微粒上的定向吸附，增強(qiáng)聚四氟乙烯微粒的陽(yáng)極電泳傾向，從而提高其在陽(yáng)極工件上的共沉積效率。這種技術(shù)也可用于微弧氧化陶瓷膜，從而提高膜的耐磨、潤(rùn)滑性能。在航空領(lǐng)域中應(yīng)用較多的潤(rùn)滑劑以二硫化鑰為代表，在許多工業(yè)化應(yīng)用中，二硫化鑰/Ti多層復(fù)合膜表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和摩擦性能。另外，Cu-N1-1n和Ti/ 二硫化鑰涂層在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，都具有良好的自潤(rùn)滑性能，可以減少Ti基合金微動(dòng)損傷的破壞。微弧氧化膜具有多孔效應(yīng)，在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑對(duì)膜起到自潤(rùn)滑作用，可以有效的減小膜的摩擦系數(shù)，達(dá)到提高膜耐磨的效果。但疏松層與致密層雙層的結(jié)構(gòu)以及表面多孔的特點(diǎn)會(huì)降低膜的耐腐蝕性和耐磨性，因此在實(shí)際應(yīng)用中，鈦合金微弧氧化陶瓷層還是未能滿足使用要求。為了達(dá)到實(shí)際使用要求，利用微弧氧化技術(shù)和固體潤(rùn)滑技術(shù)在鈦合金表面涂覆一層具有優(yōu)異減摩性能的二硫化鑰自潤(rùn)滑顆粒來(lái)制備復(fù)合膜，可有效提高復(fù)合膜的減摩性能。目前，國(guó)內(nèi)外在制備二硫化鑰復(fù)合膜的研究多數(shù)集中在機(jī)械、濺射以及氣相沉積這幾種方法上。氣相沉積法雖然可以制各出緊實(shí)、均勻且具有良好機(jī)械性能的二硫化鑰膜，但是這種方法的限制因素在于它的裝置昂貴，且制出的膜較薄，不具備良好的減摩抗磨損性能。Smoryg0.0.等人提出了用熱擴(kuò)散法在金屬表面制備二硫化鑰膜的方法，雖然工藝與氣相沉積法相比更為簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，且可制備出較厚的潤(rùn)滑膜，但其設(shè)備仍然不適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。檢索現(xiàn)有相關(guān)專利文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，趙晴、朱文輝和邵志松在2010年申請(qǐng)了發(fā)明專利“一種鈦合金表面微弧氧化減摩復(fù)合膜層的制備方法”申請(qǐng)公布號(hào):CN102021629A，主要是通過(guò)在鈦合金微弧氧化過(guò)程中引入固體潤(rùn)滑劑來(lái)制得具有減摩效果的微弧氧化復(fù)合膜。但是該方法制備的鈦合金復(fù)合膜摩擦系數(shù)仍然相對(duì)較大，并且制備過(guò)程中需要將固體潤(rùn)滑劑先堿煮lh，水洗后在十二烷基磺酸鈉溶液中浸泡4-8h，之后再烘干備用，整個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜，效率較低，不適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的摩擦系數(shù)相對(duì)較大，制備過(guò)程復(fù)雜，不適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的不足，本發(fā)明提出了一種鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜及其制備方法。所述的自潤(rùn)滑復(fù)合膜由陶瓷氧化膜與環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層組成，并且陶瓷氧化膜制備在鈦合金試樣的表面，環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層制備在陶瓷氧化膜的表面。所述的陶瓷氧化膜含有19.20 24.59 %的Ti，50.16 55.38 %的0，6.63 8.24%的 Ρ，6.98 9.53% Si,7.74 9.46%的 Al。所述的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層由環(huán)氧樹(shù)脂、鄰苯二甲酸二乙酯、乙二胺、二硫化鑰和丙酮配制而成，其中，環(huán)氧樹(shù)脂為20 40g，鄰苯二甲酸二乙酯為2 5ml，乙二胺為I 4ml，二硫化鑰為10 20g，丙酮為80 120ml。

本發(fā)明還提出了一種制備所述鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜的方法，具體步驟為:
步驟1、試樣的光潔度處理:對(duì)試樣進(jìn)行光潔度處理，使試樣表面光潔度達(dá)到Ra〈0.8 ;并用去離子水清洗試樣表面；步驟2、鈦合金試樣的預(yù)處理；鈦合金試樣的預(yù)處理主要包括超聲波除油和水洗；步驟3、對(duì)鈦合金表面進(jìn)行微弧氧化處理:在直流脈沖條件下，將預(yù)處理后的鈦合金試樣置于微弧氧化電解液中，并以所述鈦合金試樣作為陽(yáng)極，以微弧氧化裝置中的不銹鋼槽作為陰極，對(duì)鈦合金表面進(jìn)行微弧氧化處理；微弧氧化過(guò)程中以120r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)電解液進(jìn)行攪拌；當(dāng)鈦合金試樣表面得到一層致密均勻的陶瓷氧化膜后，清洗并吹干鈦合金試樣表面，得到表面有陶瓷氧化膜的鈦合金試樣；步驟4、涂覆:按組份稱量環(huán)氧樹(shù)脂、鄰苯二甲酸二乙酯、乙二胺、二硫化鑰和丙酮，并配制成環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料；通過(guò)浸潤(rùn)方式，將所述環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料涂覆在陶瓷氧化膜的鈦合金試樣的表面；涂覆時(shí)，以30mm / min的速率將所述有陶瓷氧化膜的鈦合金試樣豎直的浸沒(méi)在環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料中并靜置5s ;靜置結(jié)束后，以30mm / min的速率將所述鈦合金試樣從環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料中抽出，豎直懸掛在通風(fēng)處室溫固化24h ；步驟5、反復(fù)涂覆:待鈦合金試樣表面干燥后，重復(fù)三遍步驟4的過(guò)程，每次重復(fù)步驟4涂覆過(guò)程后，將試樣調(diào)轉(zhuǎn)180° ;在所述的鈦合金試樣表面形成了減摩耐磨復(fù)合材料涂層，該涂層的摩擦系數(shù)為0.06 0.22。在配制所述環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料時(shí)，將稱量好的環(huán)氧樹(shù)脂、鄰苯二甲酸二乙酯、乙二胺、二硫化鑰和丙酮按環(huán)氧樹(shù)脂一鄰苯二甲酸二乙酯一丙酮一填料二硫化鑰一乙二胺的次序加入燒杯中，充分?jǐn)嚢璨㈧o置I 2h進(jìn)行熟化，得到配制好的環(huán)氧樹(shù)脂基減摩耐磨復(fù)合涂料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
本發(fā)明采用的硅酸鈉體系電解液組份原料簡(jiǎn)單易得，溶液呈中性或弱堿性，而且溶液中不含鉻離子等重金屬離子和環(huán)保限制元素，不含對(duì)人體和環(huán)境有害的物質(zhì)，對(duì)環(huán)境的污染小，滿足優(yōu)質(zhì)清潔生產(chǎn)的需要。并且在電解液中加入的鋁酸鈉作為添加劑，使制得的膜均勻致密，與基體結(jié)合力強(qiáng)，耐磨性好。所采用的電解液成分簡(jiǎn)單，易于控制且工藝穩(wěn)定。本發(fā)明的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層中含有二硫化鑰顆粒，有效降低了所述鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜的摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出較好的潤(rùn)滑減摩性能。此外，復(fù)合膜的磨損量相對(duì)于鈦合金基體和微弧氧化陶瓷層也明顯減少，膜表面耐磨性大大提高。本發(fā)明所采用的表面涂覆技術(shù)的特點(diǎn)是利用機(jī)械、物理或化學(xué)等工藝手段，在工件表面制備一種涂層或膜。其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)可以和工件材料完全不同，以滿足工件表面性能，如耐磨、耐蝕、耐熱、抗疲勞和耐輻射等，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命。采用表面涂覆技術(shù)制備的涂層不僅物理機(jī)械等性能良好，而且操作方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、適合工業(yè)化生產(chǎn)。當(dāng)前關(guān)于制備二硫化鑰高減摩耐磨性鈦合金復(fù)合膜的研究非常少，因此此發(fā)明具有較強(qiáng)的開(kāi)創(chuàng)性，如能在鈦合金上制備出具有高減摩耐磨性的二硫化鑰復(fù)合膜，將大大提高鈦合金的應(yīng)用范圍，具有很高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值；本發(fā)明是一種用液相等離子脈沖高能放電技術(shù)和環(huán)氧樹(shù)脂基減摩耐磨復(fù)合材料涂層技術(shù)制備鈦合金減摩耐磨復(fù)合膜的方法。為驗(yàn)證本發(fā)明的效果，通過(guò)HT-2000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，采用環(huán)-環(huán)配副形式，摩擦試樣為表面具有高減摩耐磨性復(fù)合膜的T1-5A1-4V鈦合金塊片(25mmX20mmX2.5mm)，對(duì)偶摩擦副為45#鋼制成的圓環(huán)(028mmxl2mm )，硬度淬火44 46HRC，摩擦條件為干摩，試驗(yàn)載荷為10N，轉(zhuǎn)速為224r/min,時(shí)間為20min。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果如表所示:
權(quán)利要求
1.一種鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜，其特征在于，所述的自潤(rùn)滑復(fù)合膜由陶瓷氧化膜與環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層組成，并且陶瓷氧化膜制備在鈦合金試樣的表面，環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層制備在陶瓷氧化膜的表面。
2.如權(quán)利要求1所述鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜，其特征在于，所述的陶瓷氧化膜含有19.20 24.59% 的 Ti，50.16 55.38% 的0，6.63 8.24% 的Ρ，6.98 9.53% Si, 7.74 9.46%的 Al。
3.如權(quán)利要求1所述鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜，其特征在于，所述的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層由環(huán)氧樹(shù)脂、鄰苯二甲酸二乙酯、乙二胺、二硫化鑰和丙酮配制而成，其中，環(huán)氧樹(shù)脂為20 40g,鄰苯二甲酸二乙酯為2 5ml,乙二胺為I 4ml, 二硫化鑰為10 20g,丙酮為80 120ml ο
4.一種制備權(quán)利要求1所述鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜的方法，其特征在于，具體步驟為: 步驟1、試樣的光潔度處理:對(duì)試樣進(jìn)行光潔度處理，使試樣表面光潔度達(dá)到Ra〈0.8 ；并用去離子水清洗試樣表面； 步驟2、鈦合金試樣的預(yù)處理；鈦合金試樣的預(yù)處理主要包括超聲波除油和水洗； 步驟3、對(duì)鈦合金表面進(jìn)行微弧氧化處理:在直流脈沖條件下，將預(yù)處理后的鈦合金試樣置于微弧氧化電解液中，并以所述鈦合金試樣作為陽(yáng)極，以微弧氧化裝置中的不銹鋼槽作為陰極，對(duì)鈦合金表面進(jìn)行微弧氧化處理；微弧氧化過(guò)程中以120r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)電解液進(jìn)行攪拌；當(dāng)鈦合金試樣表面得到一層致密均勻的陶瓷氧化膜后，清洗并吹干鈦合金試樣表面，得到表面有陶瓷氧化膜的鈦合金試樣； 步驟4、涂覆:按組份稱量環(huán)氧樹(shù)脂、鄰苯二甲酸二乙酯、乙二胺、二硫化鑰和丙酮，并配制成環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料；通過(guò)浸潤(rùn)方式，將所述環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料涂覆在陶瓷氧化膜的鈦合金試樣的表面；涂覆時(shí)，以30_ / min的速率將所述有陶瓷氧化膜的鈦合金試樣豎直的浸沒(méi)在環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料中并靜置5s ;靜置結(jié)束后，以30_ / min的速率將所述鈦合金試樣從環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料中抽出，豎直懸掛在通風(fēng)處室溫固化24h ； 步驟5、反復(fù)涂覆:待鈦合金試樣表面干燥后，重復(fù)三遍步驟4的過(guò)程，每次重復(fù)步驟4涂覆過(guò)程后，將試樣調(diào)轉(zhuǎn)180° ;在所述的鈦合金試樣表面形成了減摩耐磨復(fù)合材料涂層，該涂層的摩擦系數(shù)為0.06 0.22。
5.如權(quán)利要求1所述鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜及其制備方法，其特征在于，在配制所述環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂料時(shí)，將稱量好的環(huán)氧樹(shù)脂、鄰苯二甲酸二乙酯、乙二胺、二硫化鑰和丙酮按環(huán)氧樹(shù)脂一鄰苯二甲酸二乙酯一丙酮一填料二硫化鑰一乙二胺的次序加入燒杯中，充分?jǐn)嚢璨㈧o置I 2h進(jìn)行熟化，得到配制好的環(huán)氧樹(shù)脂基減摩耐磨復(fù)合涂料。
全文摘要
一種鈦合金自潤(rùn)滑復(fù)合膜及其制備方法。所述的自潤(rùn)滑復(fù)合膜由陶瓷氧化膜與環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層組成，并且陶瓷氧化膜制備在鈦合金試樣的表面，環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料涂層制備在陶瓷氧化膜的表面。本發(fā)明通過(guò)微弧氧化和反復(fù)涂覆的方法，在工件表面制備復(fù)合膜。得到的鈦合金自潤(rùn)滑減摩耐磨復(fù)合膜不僅摩擦系數(shù)大大降低，表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，物理機(jī)械性能良好，而且操作方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C25D11/26GK103103597SQ20131002566
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者蔡劍, 趙遠(yuǎn)興, 劉道新, 張曉化 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)