[发明专利]一种钛合金表面修复与强化功能涂层一体化的涂层材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于表面改性技术领域，公开了一种钛合金表面修复与强化功能涂层一体化的涂层材料及其制备方法和应用。所述涂层材料依次包括高硬度、自润滑的功能表层，耐磨、耐高温、抗氧化的强化层、承上启下的过渡层(硬度适中)和强膜基结合的尺寸修复层，所述的尺寸修复层位于基体表面，其组成为Ti，所述过渡层的组成为TiAl，所述强化层的组成为TiAlN，所述功能表层的组成为DLC。该涂层材料具有硬度高、耐磨性、耐高温性和抗氧化性好以及修复与强化一体化多功能集成特点。采用真空电弧沉积和磁控溅射复合物理气相沉积方法制备，可将该涂层材料作为钛合金传动部件的表面防护，这对于提高我国制造装备的可靠性、稳定性具有重要作用。

技术领域

本发明涉及到钛合金表面改性方法，属于表面改性技术领域，具体涉及一种钛合金表面修复与强化功能涂层一体化的涂层材料及其制备方法和应用。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高及耐腐蚀等优良性能，因而航空、航天、舰船等现代国防军工领域得到越来越广泛的应用。但其耐磨性能很差，表面易出现划伤、咬死以及发生粘着磨损，对于传动轴类钛合金部件，经常出现表面磨损，导致尺寸超差问题，所以极大的影响了钛合金作为耐磨传动部件的使用和寿命。因此，对钛合金进行表面处理是改善其耐磨性的重要途径。在不影响钛合金结构件尺寸和形状的前提下，对其进行表面修复和强化，进而提升钛合金传动件的使用性能及服役寿命，物理气相沉积技术是最佳的选择。

再制造表面覆层技术是用于军事装备再制造的关键技术，广泛用于包括军工装备在内的各种武器装备修复与改良，通过物理气相沉积技术，制备厚度可控，高硬度耐磨损涂层，不仅可以实现钛合金部件表面尺寸修复，同时该涂层使钛合金表面具有优异的耐磨损、耐高温和抗氧化性能，而且可大幅降低其摩擦系数，能够有效缓解钛合金传动部件表面磨损，大幅提升钛合金部件的服役寿命。

随着我国航空航天等军工装备的发展，其中以钛合金转轴作为动力传递结构的核心部件，其表面易发生磨损导致性能下降，且已成为制约其稳定可靠应用的瓶颈。现有技术中的钛合金表面涂层在航空航天传动轴应用中还存在硬度低，耐磨损差，结合力差，耐高温性差等技术问题。因此对涂层提出了高硬度、耐磨损、耐高温功能一体化协同作用的需求。Ti-6Al-4V由于其密度低、比强度高、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、舰船等领域，是航空航天传动轴中常用的材料。目前已有人研究在Ti-6Al-4V表面镀复合涂层，研究表明，金属Ti具有耐高温优点，且Ti与基体钛合金的兼容性和膨胀系数匹配性好；TiAl具有膜基结合强度高、耐磨性和耐腐蚀性好，TiAlN有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力等特点。物理气相沉积技术具有镀膜速度高，膜层的致密度大，膜的附着力好，温度低等特点。目前，利用物理气相沉积技术对钛合金材料表面进行修复和强化一体化设计与制备的研究相对较少。因此，通过物理气相沉积技术在钛合金表面制备一种硬度高、耐磨、耐高温性和抗氧化性好以及修复与强化一体化的涂层，将会得到更为广阔的应用。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种钛合金表面修复及强化功能涂层一体化的涂层材料；以钛合金中作为军工装备结构件广泛应用的Ti-6Al-4V传动轴为研究对象，得到的涂层材料具有硬度高、耐磨损、耐高温性和抗氧化性好以及修复与强化一体化多功能集成特点。

本发明的另一目的在于提供一种上述钛合金表面修复及强化功能涂层一体化的涂层材料的制备方法；该方法采用真空电弧沉积和磁控溅射复合物理气相沉积方法制备并将该涂层材料应用在航空、航天的钛合金传动轴部件上，解决了该传统部件硬度低，耐磨损和耐高温性差，以及结合力差的缺点，实现了对该部件表面尺寸修复和强化功能涂层一体化的要求。

本发明的再一目的在于提供一种上述钛合金表面修复及强化功能涂层一体化的涂层材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：