[发明专利]一种钛合金表面复合耐磨减摩涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金耐磨减摩技术，具体涉及一种钛合金表面复合耐磨减摩涂层及其制备方法。

背景技术

钛合金具有良好的耐腐性、高强度、低比重等特点，在航空、航天器件(承载件、涡轮叶片等)中有广泛应用，并有望在发动机的连杆、进气阀、可移动涡轮增压器和活塞等部件上替代较重的钢。但是，由于钛合金表面硬度低且滑动摩擦性能较差，常会发生擦伤破坏，表现出较高的磨损以及不稳定的摩擦系数，从而限制了钛合金在摩擦学领域的应用。

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。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、PTFE等涂层)[中国专利201310394592.5和201310025662.X]，可以有效降低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，由于大量的润滑剂都堆积在PEO涂层表面，储存在涂层表面自生微孔内的润滑剂非常有限，因此当表面润滑层被磨损掉时，钛合金表面也将很快失去低摩擦性能。

激光表面织构化技术(Laser Surface Texturing,LST)可以实现金属表面的可控织构化加工，形成规则分布、尺寸可控的表面微孔阵列，将该技术与自润滑涂层技术结合起来，可以有效改善零件表面的摩擦和磨损性能。表面织构可以作为润滑剂的储池，在表面润滑层磨损后，可以继续向滑动表面补充润滑剂，保证接触表面的低摩擦性能。同时，表面织构还可以收集磨屑颗粒，减少硬质颗粒对润滑膜的刮擦和破坏，有效延长润滑膜的使用寿命。但是，在摩擦接触过程中，表面织构化微孔阵列间的表面是主要的接触和承载位置，由于固体润滑膜的硬度较低，并且在该处缺少足够的载荷支撑，导致表面润滑涂层很容易被磨坏，失去润滑效果。

因此，将等离子电解氧化处理和激光表面织构化技术结合起来，在钛合金表面形成由织构化微孔阵列和氧化陶瓷涂层表面微孔构成的多尺度微孔结构，可以提高表面润滑涂层的结合强度，并增强钛合金表面对润滑剂的储存效果。同时，高硬度的等离子电解氧化涂层可以为表面润滑涂层提供硬支撑，改善其承载能力和润滑效果。目前，这方面的技术开发仍未见到相关的专利报道。

发明内容

本发明针对现有的钛合金表面减摩耐磨处理技术的不足，提出了一种钛合金表面复合耐磨减摩涂层及其制备方法。

为了实现上述目标，本发明的具体技术方案如下：

一种钛合金表面复合耐磨减摩涂层，包括依次连接的激光织构化表面、氧化陶瓷层和自润滑涂层，所述激光织构化表面为均匀分布的微孔阵列，所述氧化陶瓷层为硬质氧化陶瓷涂层，所述自润滑涂层为MoS₂涂层、PTFE涂层或石墨涂层。

氧化陶瓷层上的表面微孔直径为3-10μm，厚度为10-30μm。

一种钛合金表面复合耐磨减摩涂层的制备方法，具体步骤如下：

1)对钛合金基底进行抛光和去油预处理；

2)采用Nd：YAG脉冲激光器对预处理后的试样进行织构化处理，制备微孔阵列，形成激光织构化表面，其中，脉冲激光器的参数为：激光波长1064nm、输出最大单脉冲能量50mJ、脉冲频率50Hz、脉冲宽度50～100ns，同点重复激光脉冲次数1～5次；

3)采用HF-HNO₃溶液对织构化处理后的试样进行活化，并去除表面氧化物；

4)将活化处理后的试样作为阳极，浸入到碱性电解液，进行等离子电解氧化处理，制备硬质氧化陶瓷涂层；

5)在硬质氧化陶瓷涂层表面，以固体润滑剂悬浊液为原料，制备自润滑涂层。

本发明步骤2)所述的微孔阵列，其微孔直径D＝50～300μm，微孔深度h＝15～55μm，面积占有率S＝2％～35％，微孔间距L＝300～800μm。