[发明专利]一种钛合金表面功能性梯度摩擦层的制备方法

说明书

本发明提供了一种钛合金表面功能性梯度摩擦层的制备方法，包括前期处理、纳米材料准备和干滑动摩擦三个过程；所述的前期处理为控制钛合金表面粗糙度0.1‑0.4μm；所述的纳米材料准备包括以膨胀石墨为原料，采用液相剥离法准备层数为20‑50层的多层石墨烯，以及准备粒径为30‑300 nm、球状或纺锤状的纳米三氧化二铁颗粒。本发明具有如下技术效果：滑动界面上直接添加具有减摩、抗磨功能的纳米材料，在常规条件及不消耗基材的前提下，人工诱导钛合金表面制备出功能性梯度摩擦层。

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面功能性梯度摩擦层的制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

一直以来，表面处理技术，如氧化、电镀、化学镀、喷涂、气相沉积、离子注入、激光等，是钛合金表面耐磨涂层制备的一种主要且有效的途径。然而，表面处理存在一系列不足之处，例如它的高成本、复杂工艺以及高载、高速等严酷工况往往会因应力或热应力导致裂纹和剥落而失效等，这些缺陷严重限制了通过表面处理对钛合金进行磨损性能改性的应用。

近年来，在对钛合金自身摩擦磨损性能研究的过程中，发现在磨损过程中钛合金表面会形成不同于基体的涂层，称之为摩擦层，这是钛合金表面涂层制备的又一种方法。常规的摩擦层具有金属性，不具保护作用，也就不能改善钛合金的耐磨性。但在某些特殊工况条件下，例如高温、高速等，钛合金及对磨材料表面元素在高的摩擦热下发生氧化，形成摩擦氧化物层，这种摩擦层属陶瓷性质，具有高的硬度和承载能力，因此钛合金的耐磨性得以显著提高。

然而，由滑动条件变化制备的陶瓷性耐磨摩擦层在发挥有效保护作用的同时也存在一些限定条件或负面影响，例如，须在特定条件下制备，而在常规条件下几乎不能制备；摩擦层的制备是建立在消耗摩擦副基体材料基础之上的，这将造成材料的磨耗；更重要的是摩擦层的陶瓷性质有效减少了磨损，但并不总是同时降低摩擦，也就不适于工程应用。

石墨烯因具有低的剪切力而表现出优异的润滑性，多层石墨烯（MLG）作为石墨烯的一种衍生物，具有与单层石墨烯类似的性质，且其制备工艺简单、成本较低。在研究钛合金高温磨损性能时，发现摩擦过程中形成的高硬度三氧化二铁，是钛合金耐磨性得以显著提高的主要物相。如果将具有减摩功能的多层石墨烯和具有抗磨功能的三氧化二铁纳米颗粒两种材料直接添加至滑动界面，通过滑动诱导钛合金表面形成涂层，即制备出同时减摩和抗磨的功能性人造摩擦层，可同时避免上述缺陷，该方法还具有操作简便、成本低廉、效果显著等特点，不失为一种新的途径。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种钛合金表面功能性梯度摩擦层的制备方法。

本发明针对最接近的现有技术作了如下改进：

（1）在常规条件下，避免消耗基体材料，在钛合金表面直接制备涂层，即功能性摩擦层，而不是通过表面处理或钛合金本身发生化学反应制备涂层；

（2）摩擦层并非自发形成，而是通过人工诱导的方式形成，该方法简单易控，成本低廉；

（3）制备的摩擦层具有功能性，即同时减摩和抗磨，避免了以往耐磨涂层不减摩的缺陷，实现钛合金在严酷工况下持续保持极其优异的摩擦、磨损性能；

（4）通过调节材料表面粗糙度、纳米材料特性及干滑动摩擦参数，控制制备的摩擦层的结构、减摩性、抗磨性及其与基体的结合力等，从而实现摩擦层性能的优化。

本发明的技术方案如下：

一种钛合金表面功能性梯度摩擦层的制备方法，包括前期处理、纳米材料准备和干滑动摩擦三个过程；

所述的前期处理为控制钛合金表面粗糙度0.1-0.4 μm；

所述的纳米材料准备包括以膨胀石墨为原料，采用液相剥离法准备层数为20-50层的多层石墨烯，以及准备粒径为30-300 nm、球状或纺锤状的纳米三氧化二铁颗粒；