[发明专利]钛合金表面热控耐磨损涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种钛合金表面热控耐磨损涂层及其制备方法。所述制备方法包括：将钛合金置于包含铝酸盐的电解液中，在等离子体电解氧化过程中，利用直流脉冲电流使得钛合金表面介电膜被击穿从而产生等离子体微弧放电并原位生长钛合金表面热控耐磨损涂层；所述热控耐磨损涂层由40‑50wt%的钛酸铝、30‑40wt%的氧化钛和10‑30wt%的氧化铝组成。

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面热控耐磨损涂层及其制备方法，具体涉及用于空间站太阳翼钛合金活动部件表面的热控耐磨损涂层及其制备方法，属于航天器热控涂层技术领域。

背景技术

钛合金的密度约为4.5g/cm³，仅为钢的56％，强度为500-1400MPa，其强度显著优于铝、镁合金，并且钛合金的高温和低温性能优越，在航空航天、海洋舰船、生物、医学等领域得到广泛的应用。随着我国空间站和深空探测技术的发展，钛合金在太阳翼、天线等大型结构中的应用越来越广。

在空间环境中，为了维持空间站太阳翼活动部件正常的温度水平，其表面需添加热控涂层材料。热控涂层是通过调节固体表面的热辐射性能来控制其表面温度的一种材料，太阳吸收比和半球发射率是热控涂层主要的性能指标。根据热控设计，展开铰链、旋转关节等外露部件表面需要具有低吸辐比的热控状态。未经表面处理的钛合金其太阳吸收比(as)与半球发射率(εH)的比值高达5-6，在太阳垂直照射条件下，其表面温度高达300℃以上，难以满足使用要求。

钛合金的硬度通常不超过350HV，易与对磨零件发生粘着，造成粘着磨损，从而严重限制其应用范围。天线、太阳翼需要在轨多次展开，展开机构部件应具有优异的耐磨损性能，因此，展开机构等活动部件应兼具热控和耐磨损性能。

为了改进钛合金表面的热辐射和耐磨损性能，有效利用钛合金的优良机械性能，国内外学者进行了大量的研究工作，其中最主要的方法是采用表面强化技术对钛合金进行表面改性。目前，钛合金的表面处理方法包括电镀、阳极氧化、等离子体喷涂、溅射、真空沉积等。这些方法是通过物理、化学的方法将物质沉积在钛合金的表面。利用等离子体喷涂、溅射、真空沉积等方法可以获得各种功能的涂层，但仅适合于尺寸规则零件的涂覆，对复杂形状展开机构部件的涂覆则难以实现。电镀、化学氧化、阳极氧化方法是将钛合金浸在电解液中，电解液所能接触的区域都能够得到较好的覆盖。电镀所得到的金属镀层与基体结合强度高，在航天中得到了广泛的应用，如钛合金镀金、电镀黑镍等，这些镀层为金属镀层，具有高的太阳吸收比、低的半球发射率，不能满足伸展机构钛合金部件的热控设计要求。钛合金阳极氧化是将钛合金浸在电解液中，通过该方法可以达到均一涂层，但膜层较薄、颜色较深，很难通过着色的方法获得低太阳吸收比的涂层，而且该阳极氧化膜主要由具有半导体性质的氧化钛组成，涂层的发射率较低，几乎不可调节。据NASA报道，钛合金阳极氧化涂层太阳吸收比为0.84-0.86，半球发射率为0.44-0.46，太阳吸收比与半球发射率的比值接近2。

等离子体电解氧化类似于金属的阳极氧化，它是通过在液相介质中产生的等离子体放电处理钛合金的一种方法。由于涂层在基体上原位生长，与基体结合强度高，不受基体尺寸形状的限制，对零件的内孔、盲孔都有很好的覆盖效果。与一般阳极氧化涂层相比，等离子体电解氧化涂层具有更高的致密性、硬度、耐热及耐腐蚀等优点。专利CN106342108B公开了一种钛合金表面热控涂层的制备方法，采用了包含硅酸盐的电解液，获得了包含氧化硅的低吸辐比热控涂层，涂层中氧化硅以非晶态形式存在，涂层疏松，硬度、耐磨损性能差。

发明内容

本发明为解决上述问题提出一种钛合金表面热控耐磨损涂层及其制备方法，该涂层拥有优异的热控性能，同时具有优异的耐磨损性能，用以解决航天器空间展开部件表面的温度控制及耐磨损问题。