钛合金及其制备方法和运动部件

本申请涉及摩擦学，尤其是涉及钛合金及其制备方法和运动部件。

背景技术：

1、摩擦引发的设备损耗与能源消耗在海洋环境中尤为突出，随着海洋资源开发的不断深入，海洋工况下的摩擦磨损问题已成为制约装备使用寿命的关键因素。传统钛合金因比强度高、耐腐蚀性优异，成为海洋、航空航天领域的核心结构材料，但其对水溶液中水合离子的吸附能力较弱，难以发挥水合润滑效应，在电解质水溶液（如海水）环境下摩擦系数较高，磨损问题显著。因此，传统钛合金仍有待改进。

技术实现思路

1、本申请提供一种钛合金及其制备方法和运动部件，旨在提升钛合金的水合润滑效应，降低钛合金的摩擦系数。

2、本申请的第一方面，提供一种钛合金，包括基体元素和掺杂元素，所述基体元素包括钛元素、铝元素和钒元素，所述掺杂元素包括铜元素和钽元素中的一种或多种；所述钛合金中的所述掺杂元素的质量分数为0.1%~10%；在25℃条件下，所述钛合金在电解质水溶液中的zeta电位小于或等于-15mv。

3、在一些实施例中，所述钛合金中的所述掺杂元素的质量分数为1%~5%。

4、在一些实施例中，所述掺杂元素为铜元素或钽元素。

5、在一些实施例中，所述掺杂元素包括铜元素和钽元素，所述铜元素和钽元素的质量比为1:5~1:3。

6、在一些实施例中，所述钛合金中的所述基体元素的质量分数为90%~99.9%，可选为95%~99%。

7、在一些实施例中，所述钛合金中的所述钛元素的质量分数为80%~95%，可选为90%~95%。

8、在一些实施例中，在所述钛合金中，所述钛元素、所述铝元素和所述钒元素的质量比为(80~95):(2~12):(2~12)。

9、在一些实施例中，至少部分的所述掺杂元素分布于所述钛合金的体相中。

10、在一些实施例中，所述电解质水溶液中的电解质包括水溶性无机盐；

11、可选地，所述水溶性无机盐包括水溶性氯化物和/或水溶性硝酸盐；

12、进一步可选地，所述水溶性氯化物中的阳离子和/或所述水溶性硝酸盐中的阳离子各自独立地包括一价金属离子、二价金属离子和三价金属离子中的一种或多种；

13、更可选地，所述一价金属离子包括li+、na+和k+中的一种或多种；

14、更可选地，所述二价金属离子包括mg2+、ca2+和sr2+中的一种或多种；

15、更可选地，所述三价金属离子包括al3+、ce3+、cr3+、la3+和sc3+中的一种或多种。

16、在一些实施例中，所述电解质水溶液中的电解质的浓度为0.1mmol/l~2mol/l。

17、在一些实施例中，在所述电解质水溶液环境中，所述钛合金的摩擦系数小于或等于0.1。

18、本申请的第二方面，提供一种钛合金的制备方法，包括将包含基体元素和掺杂元素的混合物料在保护性气氛中进行熔炼的步骤；

19、其中，所述基体元素包括钛元素、铝元素和钒元素，所述掺杂元素包括铜元素和钽元素中的一种或多种；所述钛合金中的所述掺杂元素的质量分数为0.1%~10%；在25℃条件下，所述钛合金在电解质水溶液中的zeta电位小于或等于-15mv。

20、在一些实施例中，所述熔炼的次数为3次~10次。

21、在一些实施例中，所述熔炼的方式包括电弧熔炼。

22、在一些实施例中，保护性气氛包括氩气。

23、在一些实施例中，所述钛合金为本申请第一方面所述的钛合金。

24、本申请的第三方面，提供一种运动部件，包括本申请第一方面所述的钛合金以及本申请第二方面所述的制备方法制得的钛合金中的一种或多种。

25、在一些实施例中，所述运动部件包括轴承、齿轮、导轨、关节、泵和阀中的一种或多种。

26、在一些实施例中，所述运动部件为用于电解质水溶液中的运动部件。

27、可选地，所述电解质水溶液中的电解质包括水溶性无机盐；

28、进一步可选地，所述水溶性无机盐包括水溶性氯化物和/或水溶性硝酸盐；

29、更可选地，所述水溶性氯化物中的阳离子和/或所述水溶性硝酸盐中的阳离子各自独立地包括一价金属离子、二价金属离子和三价金属离子中的一种或多种；

30、更进一步可选地，所述一价金属离子包括li+、na+和k+中的一种或多种；

31、更进一步可选地，所述二价金属离子包括mg2+、ca2+和sr2+中的一种或多种；

32、更进一步可选地，所述三价金属离子包括al3+、ce3+、cr3+、la3+和sc3+中的一种或多种。

33、在一些实施例中，所述电解质水溶液包括含水溶性无机盐的海水；可选地，所述海水包括人工配制海水、模拟海水和天然海水中的一种或多种。

34、与传统钛合金相比，上述钛合金至少具有如下优势：

35、基体元素中的钛元素为钛合金提供轻量化基础，并赋予钛合金抗腐蚀能力，铝元素能够强化钛合金的比强度、刚度和耐热性，钒元素能够与铝元素协同配合，进一步强化钛合金的比强度和塑性，从而使钛合金具有高比强度和高耐腐蚀性等基础性能；在钛合金中进一步引入上述种类的掺杂元素并控制钛合金中的掺杂元素的质量分数为0.1%~10%，改变钛合金表面的电子结构，使表面电荷密度增强，zeta电位向负向偏移至小于或等于-15mv；由此，在电解质水溶液环境下，钛合金带负电的表面通过静电作用吸附电解质水溶液中的阳离子，阳离子与水分子结合形成水合离子，并在摩擦界面形成致密、稳定的水合离子润滑膜；该润滑膜可有效隔离摩擦副的直接接触，降低界面剪切力，降低摩擦系数，同时该润滑膜具有自修复性，在低速重载工况下不易破裂，能够实现长效润滑。

1.一种钛合金，其特征在于，包括基体元素和掺杂元素，所述基体元素包括钛元素、铝元素和钒元素，所述掺杂元素包括铜元素和钽元素中的一种或多种，所述钛合金中的所述掺杂元素的质量分数为0.1%~10%；在25℃条件下，所述钛合金在电解质水溶液中的zeta电位小于或等于-15mv。

2.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述掺杂元素为铜元素或钽元素；或者，所述掺杂元素包括铜元素和钽元素，所述铜元素和所述钽元素的质量比为1:5~1:3。

3.根据权利要求1或2所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金中的所述掺杂元素的质量分数为1%~5%。

4.根据权利要求1或2所述的钛合金，其特征在于，具备如下特征中的一个或多个：

5.根据权利要求1或2所述的钛合金，其特征在于，具备如下特征中的一个或多个：

6.根据权利要求5所述的钛合金，其特征在于，所述水溶性氯化物中的阳离子和/或所述水溶性硝酸盐中的阳离子各自独立地包括一价金属离子、二价金属离子和三价金属离子中的一种或多种；

7.一种钛合金的制备方法，其特征在于，包括将包含基体元素和掺杂元素的混合物料在保护性气氛中进行熔炼的步骤；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，满足如下条件中的一个或多个：

9.一种运动部件，其特征在于，包括权利要求1~6任一项所述的钛合金以及权利要求7~8任一项所述的制备方法制得的钛合金中的一种或多种。

10.根据权利要求9所述的运动部件，其特征在于，具备如下特征中的一个或多个：