CN111136278B - 一种钛合金自润滑涂层及其制备方法 - Google Patents

一种钛合金自润滑涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛合金自润滑涂层及其制备方法，包括以下步骤：在钛合金基板上依次成型至少一层纯过渡金属箔层和多孔青铜层，在所述多孔青铜层的孔内填充固体润滑物，所述过渡金属选自VB和IB族元素中的一种或多种。本发明改善了钛合金表面耐磨性、难以润滑等表面缺陷。该材料可以大幅延长材料的耐磨损时间，降低材料表面摩擦系数。

Description

一种钛合金自润滑涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金及润滑技术领域，特别涉及一种钛合金自润滑涂层及其制备方法。
背景技术
钛合金具有密度低、比强度高、耐高温和耐腐蚀性等优良的特性，但其存在着摩擦磨损性能差、难以润滑、表面硬度低等缺陷，这极大的限制了它的广泛应用。用于改进钛合金表面性能的方法有很多，其中热喷涂、渗氮、物理气相沉积、离子注入等，综合这些方法其中热喷涂的结合力低、渗氮并不能良好改善钛合金表面润滑性、物理气相沉积的厚度较薄、离子注入润滑效果不明显。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，改善钛合金表面耐磨性、难以润滑等表面缺陷。本发明提供了一种钛合金自润滑涂层及其制备方法。
本发明的目的之一在于提供一种钛合金自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：在钛合金基板上依次成型至少一层纯过渡金属箔层和多孔青铜层，在所述多孔青铜层的孔内填充固体润滑物，所述过渡金属选自VB和IB族元素中的一种或多种。本发明改善了钛合金表面耐磨性、难以润滑等表面缺陷。该材料可以大幅延长材料的耐磨损时间，降低材料表面摩擦系数。
根据本发明的一些优选实施方式，将钛合金基板与至少一层纯过渡金属箔以分散焊的方式焊接，然后在所述纯过渡金属箔上以粉末冶金的方式烧结一层多孔青铜层；优选的，所述过渡金属选自铜、铌、钒、银和金中的一种或多种；优选为铜和铌。本发明采用扩散焊与粉末冶金的方式在钛合金表面制作一层软金属固体自润滑层。采用上述方式将过渡金属与钛合金结合具有自润滑的效果。
根据本发明的一些优选实施方式，将钛合金基板依次与纯铌箔和纯铜箔焊接；优选的，所述钛合金基板为1～100mm，所述纯铌箔为0.05～0.1mm，所述纯铜箔为0.05～0.1mm；和/或，所述钛合金为TC4钛合金。
根据本发明的一些优选实施方式，所述多孔青铜层由CuSn8Zn3粉末或CuSn10粉末烧结而成，所述多孔青铜层的孔隙率为85％～90％。
根据本发明的一些优选实施方式，所述固体润滑物选自PTFE/MoS2、PTFE/BN和PTFE/CaF中的一种或多种，优选为PTFE/MoS2混合物。
根据本发明的一些优选实施方式，括以下步骤：
步骤2)，将待连接件按纯铜箔、纯铌箔、TC4钛合金的顺序点焊固定；
步骤3)，以扩散焊的方式对步骤2)中所述待连接件进行焊接；
步骤4)，以粉末烧结的方式在所述纯铜箔上烧结多孔青铜层；
步骤5)，在所述多孔青铜层中固化掺入PTFE/MoS2。
根据本发明的一些优选实施方式，还包括步骤1)材料前处理；和/或，步骤6)涂层均匀化处理；和/或，步骤7)塑化烧结；和/或，步骤8)工件整形；和/或，步骤9)精加工。
根据本发明的一些优选实施方式，步骤1)材料前处理：将所述钛合金基板浸入丙酮溶液中水浴保温，然后进行酸洗，超声波清洗，晾干待用，所述酸洗优选采用5％HF+35％HNO3酸洗液；和/或，将纯铜箔浸入丙酮溶液中，水浴保温，然后超声波清洗，晾干待用；和/或，将纯铌箔浸入丙酮溶液中，水浴保温，酸洗，超声波清洗，晾干待用，所述酸洗优选采用65％硝酸、95％硫酸和不小于40％的氢氟酸以体积比为5：5：2的酸洗液；优选的，所述水浴保温条件为：在30～50℃优选50℃水浴保温10～40min优选30min。本发明中，扩散焊对待焊接金属的表面要求较高，必须清除氧化物、有机物和其他任何污染物，待焊表面必须平整光滑，以便使连接面容易获得紧密而均匀的接触。
根据本发明的一些优选实施方式，步骤3)中，所述扩散焊的条件为：选择真空扩散焊炉，以10～30℃/min优选20℃/min的速度升温至920～980℃优选950℃，保温20～60min30min，焊接压力0.5～5MPa优选2MPa。
根据本发明的一些优选实施方式，步骤4)中，所述烧结的条件为：在800～850℃优选830℃的温度下在真空烧结炉中烧结；和/或，步骤5)中，在所述多孔青铜层内灌入20～30kg优选25kgPTFE乳液和300～500g优选99.9％纯度的MoS2乳液，在450～500℃优选480℃的温度下固化。
本发明另一方面提供一种所述方法制备的钛合金自润滑涂层。
本发明的有益效果至少在于：本发明可以自润滑材料既克服了钛合金材料耐磨性差的特点，又可以充分利用钛合金的重量轻、耐腐蚀性强等特点，从民用工程机械到航空火箭技术等部门都可以大量使用该材料。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的耐磨涂层的光学显微镜的金相图(其中1-3分别对应50倍、100倍和200倍)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。本发明中所用的化工原料均可在国内化工产品市场方便买到。
实施例1
本实施例提供钛合金自润滑涂层，具体包括以下步骤：
第一步，Ti/Cu/Nb材料的前处理
TC4钛合金浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，用5％HF+35％HNO3酸洗液除去表面氧化膜，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声清洗结束后晾干待用。
纯铜箔浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗结束后晾干待用。
纯铌箔浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，用65％硝酸、95％硫酸和不小于40％的氢氟酸以5：5：2的体积进行酸洗移除表面氧化膜，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗结束后晾干待用。
第二步，待连接件的固定
将待连接件按以下顺序进行点焊固定：
0.05mm纯铜箔→0.05mm纯铌箔→10mmTC4板。
第三步，扩散焊
选择真空扩散焊炉，以20℃/min的速度升温至950℃，保温60min，焊接压力5MPa。
第四步，粉末烧结多孔铜
选择CuSn10粉末，在830℃的温度下在真空烧结炉中烧结多孔青铜层。
第五步，固化掺入MoS2的聚四氟乙烯
在多孔青铜层内灌入25kgPTFE乳液兑300g 99.9％纯度的MoS2乳液，并在480℃的温度下固化。如图1所示为本实施例所制备钛合金自润滑涂层。
实施例2
本实施例提供钛合金自润滑涂层，具体包括以下步骤：
第一步，Ti/Cu/Nb材料的前处理
TC4钛合金浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，用5％HF+35％HNO3酸洗液除去表面氧化膜，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声清洗结束后晾干待用。
纯铜箔浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗结束后晾干待用。
纯铌箔浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，用65％硝酸、95％硫酸和不小于40％的氢氟酸以5：5：2的体积进行酸洗移除表面氧化膜，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗结束后晾干待用。
第二步，待连接件的固定
将待连接件按以下顺序进行点焊固定：
0.05mm纯铜箔→0.05mm纯铌箔→4.8mmTC4板。
第三步，扩散焊
选择真空扩散焊炉，以20℃/min的速度升温至1050℃，保温30min，焊接压力5MPa。
第四步，粉末烧结多孔铜
选择CuSn10粉末，在850℃的温度下在真空烧结炉中烧结多孔青铜层。
第五步，固化掺入MoS2的聚四氟乙烯
在多孔青铜层内灌入25kgPTFE乳液兑500g 99.9％纯度的MoS2乳液，并在450℃的温度下固化。
实施例3
本实施例提供钛合金自润滑涂层，具体包括以下步骤：
第一步，Ti/Cu/Nb材料的前处理
TC4钛合金浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，用5％HF+35％HNO3酸洗液除去表面氧化膜，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声清洗结束后晾干待用。
纯铜箔浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗结束后晾干待用。
纯铌箔浸入丙酮溶液中，在50℃水浴保温30min，除去油脂，用65％硝酸、95％硫酸和不小于40％的氢氟酸以5：5：2的体积进行酸洗移除表面氧化膜，然后放入去离子水中进行超声波清洗，超声波清洗结束后晾干待用。
第二步，待连接件的固定
将待连接件按以下顺序进行点焊固定：
0.05mm纯铜箔→0.05mm纯铌箔→20mmTC4板。
第三步，扩散焊
选择真空扩散焊炉，以20℃/min的速度升温至950℃，保温30min，焊接压力10MPa。
第四步，粉末烧结多孔铜
选择CuSn10粉末，在830℃的温度下在真空烧结炉中烧结多孔青铜层。
第五步，固化掺入MoS2的聚四氟乙烯
在多孔青铜层内灌入25kgPTFE乳液兑300g 99.9％纯度的MoS2乳液，并在480℃的温度下固化。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种钛合金自润滑涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在钛合金基板上依次成型至少一层纯过渡金属箔层和多孔青铜层，在所述多孔青铜层的孔内填充固体润滑物，所述过渡金属选自VB和IB族元素中的一种或多种；将钛合金基板与至少一层纯过渡金属箔以扩散焊的方式焊接，然后在所述纯过渡金属箔上以粉末冶金的方式烧结一层多孔青铜层；所述过渡金属为铜和铌，将钛合金基板依次与纯铌箔和纯铜箔焊接；所述固体润滑物选自PTFE/MoS2、PTFE/BN和PTFE/CaF中的一种或多种；所述扩散焊的条件为：选择真空扩散焊炉，以10～30℃/min的速度升温至920～980℃，保温20～60min，焊接压力0.5～5MPa。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钛合金基板为1～100mm，所述纯铌箔为0.05～0.1mm，所述纯铜箔为0.05～0.1mm；所述钛合金为TC4钛合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔青铜层由CuSn8Zn3粉末或CuSn10粉末烧结而成，所述多孔青铜层的孔隙率为85％～90％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体润滑物为PTFE/MoS2混合物。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤2)，将待连接件按纯铜箔、纯铌箔、TC4钛合金的顺序点焊固定；
步骤3)，以扩散焊的方式对步骤2)中所述待连接件进行焊接；
步骤4)，以粉末烧结的方式在所述纯铜箔上烧结多孔青铜层；
步骤5)，在所述多孔青铜层中固化掺入PTFE/MoS2。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括步骤1)材料前处理；和/或，步骤6)涂层均匀化处理；和/或，步骤7)塑化烧结；和/或，步骤8)工件整形；和/或，步骤9)精加工；
步骤1)材料前处理：将所述钛合金基板浸入丙酮溶液中水浴保温，然后进行酸洗，超声波清洗，晾干待用；和/或，将纯铜箔浸入丙酮溶液中，水浴保温，然后超声波清洗，晾干待用；和/或，将纯铌箔浸入丙酮溶液中，水浴保温，酸洗，超声波清洗，晾干待用；所述水浴保温条件为：在30～50℃水浴保温10～40min。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)材料前处理：将所述钛合金基板浸入丙酮溶液中水浴保温，然后进行酸洗，超声波清洗，晾干待用，所述酸洗采用5％HF+35％HNO3酸洗液；和/或，将纯铜箔浸入丙酮溶液中，水浴保温，然后超声波清洗，晾干待用；和/或，将纯铌箔浸入丙酮溶液中，水浴保温，酸洗，超声波清洗，晾干待用，所述酸洗采用65％硝酸、95％硫酸和不小于40％的氢氟酸以体积比为5：5：2的酸洗液；所述水浴保温条件为：在50℃水浴保温30min。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述扩散焊的条件为：选择真空扩散焊炉，以20℃/min的速度升温至950℃，保温30min，焊接压力2MPa。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述烧结的条件为：在800～850℃的温度下在真空烧结炉中烧结；和/或，步骤5)中，在所述多孔青铜层内灌入20～30kgPTFE乳液和300～500g的MoS2乳液，在450～500℃的温度下固化。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述烧结的条件为：在830℃的温度下在真空烧结炉中烧结；和/或，步骤5)中，在所述多孔青铜层内灌入25kg PTFE乳液和300～500g 99.9％纯度的MoS2乳液，在480℃的温度下固化。
11.一种根据权利要求1-10中任一项所述方法制备的钛合金自润滑涂层。
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