[发明专利]一种钛合金自润滑复合膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金减摩耐磨技术领域，特别涉及到一种钛合金自润滑复合膜及其制备方法。

背景技术

钛合金材料因其密度低，质量轻，比强度高，抗腐蚀性、耐热性及非磁性优良，低温韧性及抗疲劳性良好等优点，被誉为“崛起的第三金属”，已广泛应用于航空、航天、造船、发电、汽车、化工、冶金、医疗、生物及体育等领域。由于钛合金硬度低、表面摩擦系数大、耐磨性较差从而导致粘性较大，自身润滑效果差等缺点的存在，使得钛合金工件在安装时容易产生黏结和咬死现象，使得钛合金的应用受到了一定的限制。

随着钛合金在越来越多行业中的广泛应用，对它的要求也越来越高。但是钛合金材料在自然条件下形成的氧化膜达不到实际应用需要。为了增强钛合金对环境的适应性，特别是减少摩擦，提高耐磨性，延长使用寿命，目前国内外已经发展了多种表面处理工艺，目的是提高钛合金表面的耐摩擦抗磨损性能，如：阳极氧化、PVD/CVD、离子注入法、溶胶-凝胶、激光脉冲沉积、热喷涂及热氧化法、电陶瓷与微弧氧化、气相沉积涂层、离子注入法、复合处理涂层及梯度涂层等方法。但以上钛合金表面处理技术在航空领域的应用中存在一些负面效应，不能适应发展高性能长寿命结构材料的技术要求。主要问题有：电陶瓷有氢脆隐患、热喷涂易产生表面过热、阳极氧化后表面层韧性降低、激光氮化处理易引起表面粗糙并有微裂纹出现、离子注入层浅约0.1um，寿命短等，因此，这里我们采用一种新兴的表面处理技术-等离子体微弧氧化技术对钛合金材料表面进行陶瓷化处理，能有效地改善钛合金在苛刻使用环境中的耐磨、耐蚀和抗高温氧化性能。该技术工艺简单、处理效率高、对环境污染小，具有很高的应用推广价值，对航空和航天的发展有着重要的战略意义。

微弧氧化又称微等离子体氧化或阳极火花沉积，是近年来发展起来的一种表面原位生长陶瓷层的新技术，是当今阳极氧化技术的多样化，也是双阶段氧化、脉冲阳极氧化等发展、应用的结果。它是在Al、Ti、Mg等有色金属(也称阀金属)表面用等离子体化学和电化学原理产生微区弧光放电现象，突破传统阳极氧化技术工作电压的限制，把阳极氧化的电压由几十伏提高列几百伏、由小电流发展到大电流．由直流发展到交流，使样品表面出观电晕、辉光、微弧放电、火花斑等现象，从而对氧化层进行微等离子体的高温高压处理，使非晶结构的氧化层发生了相和结构的变化，利用微弧区瞬间高温烧结作用直接在基体表面原位生长陶瓷层，从而提高其表面性能。该技术具有生产效率高、工艺环保经济、陶瓷层同基体结合强度高，且涂层厚度可控等优点；此外，微弧氧化技术还可以对一些形状复杂的工件(如圆筒、圆锥、球形及其它不规则形状)内表面进行处理，解决了PVD／CVD、离子注入等传统方法的技术难题，受到了各国研究者的青睐。

从报道的文献来看，对于钛合金微弧氧化的研究只是起步阶段，还处在探索制备简单功能膜以及探讨膜厚度、硬度、减摩耐磨性等基本性质的阶段，没有大量应用。对于微弧氧化复合膜技术的研究就更少，尤其是在减摩耐磨性能的复合膜方面，相关文献报道甚少，但其它方法应用于减摩耐磨性复合膜的研究较多。前苏联的Otkrytiya于1982年取得钛合金硬质阳极氧化共生沉积聚四氟乙烯固体润滑剂的专利，其特点是采用了氧乙烯烷基酚非离子表面活性剂为乳化分散剂，它同时又是聚四氟乙烯微粒的载体。工艺包括采用一种阴离子氟表面活性剂，通过其在聚四氟乙烯微粒上的定向吸附，增强聚四氟乙烯微粒的阳极电泳倾向，从而提高其在阳极工件上的共沉积效率。这种技术也可用于微弧氧化陶瓷膜，从而提高膜的耐磨、润滑性能。在航空领域中应用较多的润滑剂以二硫化钼为代表，在许多工业化应用中，二硫化钼/Ti多层复合膜表现出优异的机械性能和摩擦性能。另外，Cu-Ni-In和Ti/二硫化钼涂层在滑动摩擦过程中，都具有良好的自润滑性能，可以减少Ti基合金微动损伤的破坏。

微弧氧化膜具有多孔效应，在摩擦过程中产生的磨屑对膜起到自润滑作用，可以有效的减小膜的摩擦系数，达到提高膜耐磨的效果。但疏松层与致密层双层的结构以及表面多孔的特点会降低膜的耐腐蚀性和耐磨性，因此在实际应用中，钛合金微弧氧化陶瓷层还是未能满足使用要求。