[发明专利]一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于表面强化和表面改性领域，公开了一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备方法和应用。该涂层以多尺度碳化钛颗粒为增强相，铜和铜‑钛金属间化合物为基体，碳化钛颗粒的质量分数为50～75％，铜和钛铜金属间化合物的质量分数为25～50％。涂层的制备包括以下步骤：将烧结钛电极和铜基体分别装夹于火花机床的负极和正极，并浸没于石墨烯‑火花油混合介质中，设置火花放电参数，制得含有大粒径碳化钛颗粒的铜基复合涂层；继而进行时效处理，最终得到复合涂层。该涂层硬度为1100‑1300HV_0.2，作为耐磨涂层具有摩擦系数低(0.2‑0.32)，比磨损率少(1.2‑5.810^‑5mm³N^‑1m^‑1)的优点。

技术领域

本发明属于表面强化和表面改性领域，特别涉及一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术

铜及其合金具有良好的导电性、导热性、塑性及抗疲劳性能，因此被广泛地应用于电力、冶金、机械、航空、航天等领域。然而，低硬度和较差的耐磨性仍然限制了铜及其合金的工业应用。尤其是铜材料在无润滑介质条件下容易造成严重的黏着磨损，使铜摩擦组件的工程应用受到很大限制。铜表面改性技术既可以保持铜本身良好的导电、导热性，又可以通过表面改性技术来增强其表面硬度、耐蚀性、耐磨性等。

由于硬度高，热稳定性好、对铜基体的导电性、导热性损伤少等优点，碳化钛颗粒常作为增强体强化铜基复合材料。已有的研究和实践表明碳化钛颗粒的大小、形貌、在铜基体中的分布状态、碳化钛/铜界面结合情况等因数对复合材料的性能有很大的影响。此外，目前碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的主要制备方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法、热喷涂方法、冷喷涂、激光熔覆等。然而这些方法存在生产条件苛刻、生产效率低、涂层/基体结合强度低等不足。因此开发具有新型显微组织的碳化钛颗粒增强铜基复合涂层及其制备技术是亟待解决的问题并具有广阔的应用前景。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层。

本发明的再一目的在于提供一种上述多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的制备方法。

本发明的又一目的在于提供上述多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层，以多尺度碳化钛颗粒为增强相，铜和铜-钛金属间化合物为基体，其中多尺度碳化钛颗粒的质量分数为50～75％，铜和铜-钛金属间化合物的质量分数为25～50％。

所述多尺度碳化钛颗粒包括液相火花放电原位生成的大粒径碳化钛颗粒和随后的热处理过程中析出的小粒径碳化钛颗粒，前者粒径为80～400nm，质量分数占多尺度碳化钛颗粒总质量分数的90～95％，后者粒径3～20nm，质量分数占多尺度碳化钛颗粒总质量分数的5～10％。

所述多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的厚度为3～25μm。

上述的一种多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1.将烧结钛电极和铜基体分别装夹于火花机床的负极和正极，并浸没于石墨烯-火花油混合介质中；

S2.设置火花放电参数，利用火花放电产生的瞬时高热量使烧结钛电极、混合介质和铜基体三者发生反应，并使反应产物沉积于铜基体表面，制得含有大粒径碳化钛颗粒的铜基复合涂层；

S3.将S2制得的复合涂层置于热处理炉中并进行时效处理，最终得到多尺度碳化钛颗粒增强铜基复合涂层。

步骤S1所述石墨烯为经十八胺功能化改性石墨烯，其尺寸为0.05～5μm，其在石墨烯-火花油混合介质中的浓度为0.01～0.5g·L^-1。