[发明专利]一种用于提高钛合金表面自润滑耐磨性能的材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末及其应用。.

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、高温力学性能优异（与铝合金相比）、耐蚀性优异、生物相容性好等突出优点，在航空、航天、船舶、兵器、海洋、石油、化工、生物医学工程等领域中得到广泛应用。在航空工业领域，钛合金是制作各类航空飞行器的关键结构材料。在先进高推比航空发动机中，钛合金广泛用于制作风扇叶片、压气机盘、压气机叶片、压气机整体叶环及整体叶盘、压气机机匣、鼓筒轴、加力筒体、调节片、尾喷管等核心关键运动零部件及关键结构件。但钛合金摩擦系数大、易粘着、不易润滑、耐磨性差、高温抗氧化性能低等缺点，大大限制了钛合金的应用范围，特别是严重制约了钛合金作为摩擦副运动零部件的使用。在航空、航天、核能、军工等尖端技术领域，存在着大量在高真空度、高温、高速、重载等苛刻工况环境下运行的钛合金摩擦运动副零部件，如高温绝热发动机轴承、活塞环、缸套、核阀、汽轮机叶片等，普通的润滑油脂已不能完全满足使用要求，在对磨件表面制备出一种高效、环保的耐磨减摩的自润滑涂层是解决上述问题的有效途径之一。

固体自润滑复合材料是以金属、陶瓷或非金属为基本组元，加入固体润滑剂和一些附加组元，通过一定工艺制备而成的具有一定强度和自润滑性能的复合材料。这种复合材料可根据工况要求方便地设计成分组成，一方面具有较高的强度和硬度，能够提高接触摩擦副的耐磨性；另一方面又具有自润滑的效果，在摩擦副之间形成固体润滑转移膜，减少摩擦副的摩擦系数和稳定摩擦功耗，实现无油或少油条件下自润滑的目的。因为具有优异的综合性能引起了润滑领域的广泛关注并迅速发展起来。常见的固体润滑剂有石墨、软金属(Au、Ag、Pb等)、层状固体(MoS₂、WS₂)、氟化物(CaF₂、BaF₂等)及高分子聚合物等。其中MoS₂和WS₂是应用最为广泛的固体润滑剂，MoS₂和WS₂具有层状结构，其晶体为六方晶系，由于其层与层之间的范德华力较小，故剪切力较小，因而拥有较低的摩擦系数，起到很好的减摩作用。

由于磨损基本发生于材料或零部件的表面，采用合适的表面工程手段在材料表面制备硬度高、耐磨性好的涂层无疑具有较高的经济性和可行性，不仅可以拓宽其应用领域和范围（如核能、军工、冶金等领域；高温、高速、重载等环境），还可有效提高材料或零部件的使用寿命，节约成本、保护环境。目前，常用的复合材料有镍基、铁基、钴基合金，并加入一些碳化物增强相（如碳化钨、碳化铬、碳化钛等），采用这些高温高硬度耐磨材料或涂层虽然大大地提高了工件自身的高温耐磨性能，但与此同时，在很多情况下却加剧了对偶件的磨损，即对配偶件的摩擦相容性或者说自润滑性能差，这在很多情况下是很有害和不允许的，所以复合材料涂层不仅要具有优异的高温耐磨性能，还应具有一定的高温减摩性能。涂层常见的制备方法有热喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和激光熔覆。但是受电弧喷涂、热喷涂及等离子喷涂工艺本身所限，涂层与基材之间为机械结合，结合强度有限，且涂层组织疏松，在强烈磨损工况下涂层易于开裂和脱落。激光熔覆技术是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料快速熔凝在基体材料表面并与基体形成冶金结合，构成与基体成分和性能完全不同的高性能合金熔覆层。其优点是：涂层组织致密、孔隙率较低；晶粒细小、宏观力学性能较高（细晶强化）；与基体形成冶金结合、结合强度很高。

传统的复合涂层材料只是单一的提高钛合金表面的硬度及高温耐磨性能，但很多情况下却加剧了对偶件的磨损，这是非常有害和不允许的。常规工艺如热喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等工艺也常被用来对钛合金进行表面改性，以提高钛合金的摩擦磨损性能。但是电弧喷涂、热喷涂及等离子喷涂工艺本身所限，涂层与基材之间为机械结合，结合强度有限，且涂层组织疏松，在强烈磨损工况下涂层易于开裂和脱落。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种能有效延长零部件的服役寿命，且节约成本、保护环境，应用于激光熔覆工艺制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末,得到的涂层提高了钛合金表面的高温耐磨减摩性能，拓宽了Ti6Al4V钛合金的应用范围和领域。