[发明专利]一种钛合金表面陶瓷增强石墨自润滑涂层及其制备方法

说明书

本发明属于钛合金表面工程领域，尤其涉及一种钛合金表面陶瓷增强石墨自润滑涂层及其制备方法。该润滑涂层是由30wt％TC4粉末、25‑45wt％Ni60粉末和25‑45wt％镍包石墨粉末组成的熔覆材料在处理后的钛合金基材表面经同轴送粉激光熔覆技术制得。本发明能够在钛合金表面制备出具有良好自润滑效果的陶瓷增强石墨自润滑涂层，可提高钛合金表面摩擦磨损性能，增加钛合金零部件的服役周期，解决了涂层中润滑相和增强相因质量密度差异和界面关系不明确等原因导致涂层组织结构发生严重偏析而影响涂层自润滑性能的问题，并且该方法工艺过程简单，无污染且效率高，适合工业化生产。

技术领域

本发明属于钛合金表面工程领域，尤其涉及一种钛合金表面陶瓷增强石墨自润滑涂层及其制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀、抗疲劳及良好的焊接及铸造性能等众多优异特性，已成为航空、航天、国防装备等高精尖技术领域的关键结构材料，并在石油化工、能源动力、生物医学等国民经济领域应用广泛。但钛合金存在硬度低、摩擦系数大、耐磨性较差、易产生粘着磨损等固有缺陷，严重限制了钛合金作为摩擦副运动零部件的服役寿命和应用范围。由于钛合金零部件摩擦磨损、微动损伤等失效行为均起源于零件表面，因此，采用先进的表面改性技术，在钛合金零部件表面承受摩擦磨损的特定部位制备一层具有高硬度且摩擦系数低的自润滑耐磨涂层来改善其摩擦学行为，是一种十分经济、有效的技术手段。

钛合金表面自润滑耐磨涂层不仅具有高硬度、高强度，且涂层中的润滑相可在涂层表面形成转移润滑膜，有效降低涂层摩擦系数，显著增加涂层的摩擦磨损性能。然而，当自润滑耐磨激光熔覆层中润滑相和增强相因质量密度差异和界面关系不明确等原因导致离散、团聚和堆积分布时，涂层组织结构将发生严重偏析，势必造成涂层局部应力集中，裂纹发生率显著增加，严重影响涂层质量和力学性能；此外，涂层中堆积的润滑剂分子易产生较大的粘弹性摩擦阻力，使涂层磨损率增大，摩擦系数升高，减摩性能下降；而且，若固体润滑剂大量在涂层表面团聚时，将导致润滑相不能完全“镶嵌”到涂层中，润滑相易被刮落造成典型的犁沟磨损，使润滑膜的完整性在摩擦过程中遭到破坏，造成涂层摩擦系数和磨损率显著增大。因此，如何解决自润滑耐磨涂层中润滑相和增强相因质量密度差异和界面关系不明确等原因导致涂层组织结构发生严重偏析而影响涂层自润滑性能的问题，是激光熔覆制备高性能自润滑耐磨涂层技术目前迫切需要解决的技术难题。

发明内容

针对钛合金硬度低，摩擦系数大等问题及现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种钛合金表面陶瓷增强石墨自润滑涂层及其制备方法。本发明以TC4+Ni60+镍包石墨为熔覆材料，采用同轴送粉激光熔覆技术在钛合金表面制备出了含“石墨-TiC”复合结构相的自润滑耐磨涂层，该方法解决了涂层中润滑相和增强相因质量密度差异和界面关系不明确等原因导致涂层组织结构发生严重偏析而影响涂层自润滑性能的问题，并且该方法工艺过程简单，无污染且效率高，适合工业化生产。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案为：

本发明一种钛合金表面陶瓷增强石墨自润滑涂层及其制备方法的设计思路：

(一)利用熔覆材料各组分在熔覆过程中发生的化学反应，在涂层中原位生成陶瓷增强相、金属间化合物等高硬度物相，可显著提高涂层耐磨性。利用熔覆材料中的具有低摩擦系数的石墨为润滑相，可有效减轻涂层自身及其与摩擦副的摩擦磨损，从而大幅提高涂层的减摩性能。

(二)利用涂层中形成的“石墨-TiC”复合结构相之间具有的捆绑、依附和拖拽作用，增强涂层组织分布均匀性，抑制润滑相和增强相在涂层中的偏析行为，提升涂层力学性能。

(三)通过控制熔覆材料各组分的含量以及优化激光熔覆工艺参数减少或消除涂层中气孔、裂纹等缺陷，提高涂层成形质量。

本发明从熔覆材料体系设计和激光熔覆过程中的工艺参数优化等方面进行了创新设计：

(一)激光熔覆材料体系设计