CN105648499B - 一种钛合金表面梯度减摩耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛及钛合金表面自润滑耐磨涂层及其制备方法，所述的涂层为氧化陶瓷涂层，其孔隙内均匀分布着超高分子量聚乙烯微粒，其表面形成超高分子量聚乙烯膜，其中，超高分子量聚乙烯膜的厚度为10‑20微米。所述的涂层通过提拉成膜法制备，制得的涂层表面致密、平整、均匀，与外界直接接触的超高分子量聚乙烯涂层，不仅耐腐蚀，而且憎水，耐污性能出色。

Description

一种钛合金表面梯度减摩耐磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，涉及到一种钛合金表面涂覆强化处理技术，特别涉及到一种钛合金表面梯度减摩耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有密度低、耐蚀性好、强度高的优点，在航空航天、化工、生物材料等方面得到了广泛的应用。虽然钛合金经热处理后的抗拉强度高达900—1000MPa，可与高强钢相媲美，但是硬度较低，约为高强钢的2/3(高强钢的硬度为HV500～600)，并且摩擦系数较大(0.5—0.7)，耐磨损性能差，因此严重限制了钛合金的应用范围。传统的表面涂覆处理工艺，如电镀，气相沉积，离子注入等工艺，主要通过提高钛及钛合金的表面硬度来改善其摩擦性能，涂层不具有润滑性能且耐蚀性能不足。
近年来，等离子电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation,PEO)技术，又称为微弧氧化技术，作为一种可以快速实现金属表面陶瓷化转变的技术，开始在铝、镁、钛、锆等阀金属及其合金的表面处理中得到应用。该技术可以显著提高钛合金的表面硬度和耐磨性，但是，形成的氧化陶瓷层表面粗糙且多孔，在无润滑条件下摩擦系数较高，容易造成滑动件及其配副件的磨损，不利于实际应用。
专利CN103103597A在PEO涂层表面，采用机械涂覆、溅射、气相沉积等处理方法沉积一层低摩擦的外层(石墨、MoS2)，有效的降低PEO涂层的摩擦系数，改善其摩擦性能，并且在润滑外层发生磨损后，PEO涂层表面自生微孔中储存的润滑剂仍可以补充到滑动表面，继续提供润滑。但是表面的涂层成分复杂，成本较高。
专利CN101280450A提供了一种具有很好硬度和自润滑性能的涂层，但其非固体润滑介质，导致适用范围，尤其是温度范围，受到了很大的限制。
专利CN103498181A提供了一直固体自润滑介质涂层，但其高分子涂层与陶瓷涂层之间的结合较差，且涂层摩擦系数依然较高，在0.2左右。而钛及钛合金的表面涂覆技术中，不仅要求具有很好的硬度，宽泛的使用温度，也要求具有更好的结合强度及更低的摩擦系数。
发明内容
本发明针对钛及钛合金表面硬度低、摩擦系数高引起的耐磨性能差等问题，提供一种结合强度高和表面硬度高、摩擦系数低的钛及钛合金表面自润滑复合涂层及其制备工艺。
实现本发明目的的技术解决方案是：
一种钛及钛合金表面自润滑耐磨涂层，所述的涂层为氧化陶瓷涂层，其孔隙内均匀分布着超高分子量聚乙烯微粒，其表面形成超高分子量聚乙烯膜。
其中，超高分子量聚乙烯膜的厚度为10-20微米。
一种钛及钛合金表面自润滑耐磨涂层的制备方法，包括下述工艺步骤：
(1)采用铝酸钠-磷酸钠体系，或硅酸钠-磷酸钠体系电解液，且电解液含有超高分子量聚乙烯分散液，将经前处理过的钛及钛合金表面进行等离子电解氧化处理后得到孔隙分布超高分子量聚乙烯微粒的氧化陶瓷涂层，其中，超高分子量聚乙烯分散液是将超高分子量聚乙烯置于非离子型表面活性剂中保持搅拌2h以上，且一直搅拌直至与电解液混合；
(2)通过提拉成膜法，将步骤(1)所述的氧化陶瓷涂层浸渍于超高分子量聚乙烯有机溶液中沉积超高分子量聚乙烯膜；
(3)将提拉成膜后的氧化陶瓷涂层加热至80～120℃进行热处理，并保温10～24h，自然冷却至室温。
进一步的，步骤(1)中，等离子电解氧化时的处理参数为：电流密度2A/dm2，电压450V～550V，占空比20％～25％，温度20～40℃，频率400～800Hz，电解液pH值＝11～14。
进一步的，步骤(1)中，非离子型表面活性剂采用吐温-40、吐温-60、吐温-80。
进一步的，步骤(1)中，超高分子量聚乙烯的粒度在600目以上，超高分子量聚乙烯在电解液中浓度为10g/L。
进一步的，步骤(2)中，超高分子量聚乙烯有机溶液的溶剂为十氢萘，超高分子量聚乙烯有机溶液的温度为120±10℃，提拉速率在1～5mm/s之间，超高分子量聚乙烯有机溶液中超高分子量聚乙烯的粒度在600目以上。
进一步的，步骤(3)中，所述的热处理为真空下。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)涂层自金属表层生长而成，与基体结合强度好；(2)氧化陶瓷涂层的放电孔中，均匀布满了的超高分子量聚乙烯微粒，既对氧化陶瓷涂层的放电孔产生了封孔作用，又大幅提高了与超高分子量聚乙烯涂层的结合强度；(3)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；(4)涂层表面致密、平整、均匀，与外界直接接触的超高分子量聚乙烯涂层，不仅耐腐蚀，而且憎水，耐污性能出色；(5)涂层的温度适用范围更加广泛。
附图说明
附图1为本发明所述的钛合金表面梯度减摩耐磨涂层的横截面示意图。
附图2为本发明实施例1所述的钛合金表面梯度减摩耐磨涂层的扫描电镜图。
附图3为本发明实施例2所述的钛合金表面梯度减摩耐磨涂层的扫描电镜图。
附图4为本发明实施例3所述的钛合金表面梯度减摩耐磨涂层的扫描电镜图。
附图5为本发明实施例4所述的钛合金表面梯度减摩耐磨涂层的扫描电镜图。
具体实施方式
结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1，本发明的钛合金表面梯度减摩耐磨涂层包括经打磨抛光的钛合金基底1，氧化陶瓷涂层2，超高分子量聚乙烯膜3。氧化陶瓷涂层2设置在钛合金基底1上，且其表现出较多的尺寸较小的氧化陶瓷涂层放电孔。超高分子量聚乙烯膜3设置在氧化陶瓷涂层2上。氧化陶瓷涂层2中的放电孔中的超高分子量聚乙烯和表面的超高分子量聚乙烯膜共同构成了梯度减磨耐磨结构。
一种钛合金表面金属基氧化陶瓷涂层/有机高分子涂层复合涂层的制备方法，其包括：
(1)采用粒度600目以内的砂纸或砂轮打磨钛及钛合金部件表面，去除表面尺寸较大的缺陷，使得表面粗糙度低于0.1；使用抛光布抛光钛及钛合金部件表面，形成镜面。
(2)采用含硝酸20～30g/L，氢氟酸10～15g/L的化学溶液，在25～35℃下充分清洗钛及钛合金5～10分钟，然后在超声波作用下采用乙醇清洗10分钟以上，取出，流水冲洗，烘干。
(3)采用铝酸吶-磷酸钠体系，或硅酸钠-磷酸钠体系电解液；采用非离子型表面活性剂作为分散剂配制超高分子量聚乙烯分散液，分散液须保持搅拌2h以上且一直搅拌直至等离子电解氧化与电解液混合。
(4)等离子电解氧化时的处理参数为：电流密度2A/dm2，电压450V～550V，占空比20％～25％，温度20～40℃，频率400～800Hz，pH11～14。
(5)将经过步骤(4)处理的试样烘干，使用提拉机将试样提拉出,超高分子量聚乙烯热溶液的温度在120℃左右。提拉机的提拉速率在1～5mm/s之间。
(6)采用真空热处理炉，将提拉处理过的试样加热至80～120℃，保温10～24h。取出后自然冷却至室温。
进一步，为使涂层更加的致密，有机高分子涂层与氧化陶瓷涂层的结合强度更高，上述步骤(3)和步骤(5)中，超高分子量聚乙烯选用的粒度在600目以上。
实施例1
(1)依次采用粒度为120目、200目、400目、600目的砂纸打磨钛合金(TC4)表面，去除表面的尺寸较大缺陷，使得表面粗糙度低于0.1；使用抛光布抛光至镜面出现。
(2)在超声波作用下，采用乙醇，超声清洗10min，去除表面的油污、杂质等；
(3)制备硅酸钠-磷酸钠系电解液；采用粒度为600目的超高分子量聚乙烯作为分散液和有机溶液的溶剂；采用吐温40作为分散剂配置超高分子量聚乙烯分散液。分散液搅拌2h后与电解液混合，进行等离子电解氧化处理；
(4)等离子电解氧化的处理参数为：电流密度2A/dm2，电压450V，占空比20％，温度20～40℃，频率400Hz，正脉宽250μs，脉间1000μs，处理时间为25min，将经过步骤(2)处理的部件表面进行等离子电解氧化处理，制备出陶瓷层；
(5)将经过步骤(3)处理的试样烘干，在100℃氛围下浸入超高分子量聚乙烯热溶液，使用提拉机将试样提拉出。超高分子量聚乙烯热溶液的温度在120℃左右。提拉机的提拉速率为1mm/s。
(6)采用真空热处理炉，将提拉处理过的试样加热至100℃，保温10h。取出后自然冷却至室温，其表面形貌如图2所示。
(7)使用球盘式摩擦磨损试验机，在30MPa的载荷下，测的摩擦系数为0.07±0.005，循环105次后，测的磨损率为8×10-7mm3/(N·m)。
实施例2
(1)依次采用粒度为120目、200目、400目、600目的砂纸打磨纯钛(TC4)表面，去除表面的尺寸较大缺陷，使得表面粗糙度低于0.1；使用抛光布抛光至镜面出现。
(2)在超声波作用下，采用乙醇，超声清洗10min，去除表面的油污、杂质等；
(3)制备硅酸钠-磷酸钠系电解液；采用粒度为700目的超高分子量聚乙烯作为分散液和有机溶液的溶剂；采用吐温60作为分散剂配置超高分子量聚乙烯分散液。分散液搅拌2h后与电解液混合，进行等离子电解氧化处理；
(4)等离子电解氧化的处理参数为：电流密度2A/dm2，电压500V，占空比20％，温度20～40℃，频率500Hz，正脉宽250μs，脉间1000μs，处理时间为25min，将经过步骤(2)处理的部件表面进行等离子电解氧化处理，制备出陶瓷层；
(5)将经过步骤(3)处理的试样烘干，在100℃氛围下浸入超高分子量聚乙烯热溶液，使用提拉机将试样提拉出。超高分子量聚乙烯热溶液的温度在120℃左右。提拉机的提拉速率在2mm/s间。
(6)采用真空热处理炉，将提拉处理过的试样加热至100℃，保温15h。取出后自然冷却至室温，其表面形貌如图3所示。
(7)使用球盘式摩擦磨损试验机，在30MPa的载荷下，测的摩擦系数为0.075±0.005，循环105次后，测的磨损率为7.8×10-7mm3/(N·m)。
实施例3
(1)依次采用粒度为120目、200目、400目、600目的砂纸打磨纯钛(TC4)表面，去除表面的尺寸较大缺陷，使得表面粗糙度低于0.1；使用抛光布抛光至镜面出现。
(2)在超声波作用下，采用乙醇，超声清洗10min，去除表面的油污、杂质等；
(3)制备硅酸钠-磷酸钠系电解液；采用粒度为800目的超高分子量聚乙烯作为分散液和有机溶液的溶剂；采用吐温80作为分散剂配置超高分子量聚乙烯分散液。分散液搅拌2h后与电解液混合，进行等离子电解氧化处理；
(4)等离子电解氧化的处理参数为：电流密度2A/dm2，电压550V，占空比25％，温度20～40℃，频率550Hz，正脉宽250μs，脉间1000μs，处理时间为25min，将经过步骤(2)处理的部件表面进行等离子电解氧化处理，制备出陶瓷层；
(5)将经过步骤(3)处理的试样烘干，在100℃氛围下浸入超高分子量聚乙烯热溶液，使用提拉机将试样提拉出。超高分子量聚乙烯热溶液的温度在120℃左右。提拉机的提拉速率在3mm/s间。
(6)采用真空热处理炉，将提拉处理过的试样加热至120℃，保温20h。取出后自然冷却至室温，其表面形貌如图4所示。
(7)使用球盘式摩擦磨损试验机，在30MPa的载荷下，测的摩擦系数为0.069±0.005，循环105次后，测的磨损率为8.1×10-7mm3/(N·m)。
实施例4
(1)依次采用粒度为120目、200目、400目、600目的砂纸打磨纯钛(TC4)表面，去除表面的尺寸较大缺陷，使得表面粗糙度低于0.1；使用抛光布抛光至镜面出现。
(2)在超声波作用下，采用乙醇，超声清洗10min，去除表面的油污、杂质等；
(3)制备硅酸钠-磷酸钠系电解液；采用粒度为600目的超高分子量聚乙烯作为分散液和有机溶液的溶剂；采用吐温60作为分散剂配置超高分子量聚乙烯分散液。分散液搅拌2h后与电解液混合，进行等离子电解氧化处理；
(4)等离子电解氧化的处理参数为：电流密度2A/dm2，电压450V，占空比25％，温度20～40℃，频率550Hz，正脉宽250μs，脉间1000μs，处理时间为25min，将经过步骤(2)处理的部件表面进行等离子电解氧化处理，制备出陶瓷层；
(5)将经过步骤(3)处理的试样烘干，在100℃氛围下浸入超高分子量聚乙烯热溶液，使用提拉机将试样提拉出。超高分子量聚乙烯热溶液的温度在120℃左右。提拉机的提拉速率在2.5mm/s间。
(6)采用真空热处理炉，将提拉处理过的试样加热至120℃，保温24h。取出后自然冷却至室温，其表面形貌如图5所示。
(7)使用球盘式摩擦磨损试验机，在30MPa的载荷下，测的摩擦系数为0.068±0.006，循环105次后，测的磨损率为7.7×10-7mm3/(N·m)。
经过实施例1-4制备的涂层厚度在20～60μm，涂层表面的显微硬度400～800Hv在之间，涂层表面致密、平整，无等离子电解氧化形成的微孔、裂纹等缺陷，干摩擦系数降低到0.1以下。

Claims (8)

1.一种钛及钛合金表面自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述的涂层为氧化陶瓷涂层，其孔隙内均匀分布着超高分子量聚乙烯微粒，其表面形成超高分子量聚乙烯膜，其中，超高分子量聚乙烯膜的厚度为10-20微米。
2.一种钛及钛合金表面自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）采用铝酸钠-磷酸钠体系，或硅酸钠-磷酸钠体系电解液，且电解液含有超高分子量聚乙烯分散液，将经前处理过的钛及钛合金表面进行等离子电解氧化处理后得到孔隙分布超高分子量聚乙烯微粒的氧化陶瓷涂层，其中，超高分子量聚乙烯分散液是将超高分子量聚乙烯置于非离子型表面活性剂中保持搅拌2h以上，且一直搅拌直至与电解液混合；
（2）通过提拉成膜法，将步骤（1）所述的氧化陶瓷涂层浸渍于超高分子量聚乙烯有机溶液中沉积超高分子量聚乙烯膜；
（3）将提拉成膜后的氧化陶瓷涂层加热至80~120℃进行热处理，并保温10~24h，自然冷却至室温。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，等离子电解氧化时的处理参数为：电流密度2A/dm2，电压450V~550V，占空比20%~25%，温度20~40℃，频率400~800Hz，电解液pH值=11~14。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，非离子型表面活性剂采用吐温-40、吐温-60和吐温-80中任意一种或几种。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，超高分子量聚乙烯的粒度在600目以上，超高分子量聚乙烯在电解液中浓度为10g/L。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，超高分子量聚乙烯有机溶液的溶剂为十氢萘，超高分子量聚乙烯有机溶液的温度为120±10℃，提拉速率在1~5mm/s之间，超高分子量聚乙烯有机溶液中超高分子量聚乙烯的粒度在600目以上。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的热处理为真空下。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的热处理为空气气氛下。
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