一种适用于钛合金的二硫化钼-铝自润滑涂层及其应用

1.本发明包含一种可以应用到钛合金的复合润滑涂层，涉及磁控溅射及其应用领域，金属材料表面改性领域，


背景技术：

2.钛以及钛合金由于其较小的比密度，较高的机械强度，在航空航天领域具有广泛的应用前景。钛合金紧固件以及轴承是航空航天器不可或缺的一部分。然而，钛合金本身较差的耐磨性以及较低的硬度限制了其应用。二硫化钼是一种常用的固体润滑材料，然而二硫化钼本身和钛合金结合力较低，在现有研究中已经成功在纯钛上制备了一层二氧化钛纳米管支撑二硫化钼自润滑涂层，然而溅射二硫化钼本身较低的硬度导致涂层本身耐磨性较差，磨损较快，服役寿命较少限制了涂层的应用。氧化铝作为一种高硬度的材料作为硬质相在耐磨合金或耐磨涂层中被广泛应用。本发明提供了一种利用磁控溅射共溅射一步法制备二硫化钼-氧化铝复合润滑层的方法，显著提高了二硫化钼自润滑涂层的耐磨性，并通过与钛合金阳极氧化成的多孔结构结合得到了适用于钛合金的具有良好结合力和高耐磨性的二硫化钼-氧化铝复合润滑涂层。


技术实现要素：

3.本发明包括一种二硫化钼-铝复合润滑涂层的制备方法，以及通过所得复合润滑涂层与钛合金表面阳极氧化成的二氧化钛纳米管结合得到适用于钛合金的复合润滑涂层的方法。利用磁控溅射共溅射方法直接制得二硫化钼-铝复合润滑涂层。通过与现有二氧化钛纳米管阵列结合，二硫化钼-铝复合润滑涂层被成功应用到钛合金上，在rh＝20％湿度下复合涂层可以服役寿命最高可以延长到31130laps,而纯二硫化钼涂层的服役寿命则只到了13200laps。在rh＝30％的条件下，纯二硫化钼涂层的服役寿命只到了865laps,而二硫化钼复合涂层的则达到了4995laps。
4.本发明提供的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
5.(1)钛合金片预处理：利用丙酮、乙醇和去离子水对钛合金片进行清洗，清洗之后对所得钛合金片利用氢氟酸和硝酸的混合溶液进行化学抛光，化学抛光后吹干备用。
6.(2)对化学抛光后的钛合金片进行阳极氧化，所选阳极氧化溶液为氢氟酸和磷酸的混合液；阳极氧化方法为先进行脉冲阳极氧化，在20v、10v、20v、10v的氧化电压下各进行10min,脉冲阳极氧化之后在20v的电压下进行直流阳极氧化，氧化时间为2h，氧化温度为20℃。
7.(3)对所得阳极氧化后的样品进行热处理，温度为450℃，保温2h。
8.(4)利用磁控溅射在二氧化钛纳米管阵列上制备复合润滑涂层，在制备过程中，背底真空度为5
×
10-3pa，溅射温度为室温，工作压强为1pa；在溅射过程中，二硫化钼靶和铝靶同时向二氧化钛纳米管阵列进行溅射，二硫化钼靶材利用射频靶头进行溅射，功率为80w，铝靶材利用直流靶材进行溅射，功率为0-20w且不包括20w；(5)通过以上调控，得到应
用在钛合金的二氧化钛纳米管支撑的二硫化钼-铝自润滑涂层。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
10.首次在tc4合金上制备了利用二氧化钛纳米管阵列支持的固体润滑涂层，增强了固体润滑涂层与基体之间的结合力。利用一步法磁控溅射制备了二硫化钼-铝复合润滑涂层，其中铝以氧化铝的形式存在，使得所制备的二硫化钼-铝复合润滑涂层是一种既有软质润滑相和又有硬质耐磨相的涂层，在不同湿度(rh＝20％-30％)下均具有较长的服役寿命即进一步提高湿度条件下，尤其在在rh 30％条件下，寿命相对提高了4倍多，具有良好的应用前景和巨大的社会效益潜力。
附图说明
11.图1：阳极氧化制得的二氧化钛纳米管形貌
12.图2：在二氧化钛纳米管上溅射复合润滑涂层后的形貌，其中铝的溅射功率为(a)0w，(b)5w，(c)10w，(d)15w，(e)20w
13.图3：有二氧化钛纳米管支撑的二硫化钼以及二硫化钼-铝复合润滑涂层的x射线衍射图；
14.图4：有二氧化钛纳米管支撑的二硫化钼-铝复合润滑涂层的xps图；
15.图5：(a)所得涂层在rh＝20％条件下的摩擦曲线，(b)所得涂层在rh＝30％条件下的摩擦曲线。
具体实施方式
16.将钛合金进行清洗、化学抛光后，放入真空烘箱烘干备用。将处理后的tc4合金片放入氢氟酸和磷酸的混合液中进行阳极氧化，温度为20℃，时间为2h期间不断搅拌。在进行阳极氧化处理之后将处理完毕的钛合金样品放入磁控溅射沉积系统进行沉积，覆膜时间设定为30min，工作温度为室温，射频溅射二硫化钼颗粒的功率为80w，直流溅射铝靶材功率为0w，反应室背底真空度为5
×
10-3
pa，样品预溅射时间为180s，氩气气氛压力为1pa。溅射过程经过辉光清洗、抽真空、预溅射、调压和溅射，溅射结束后样品制备完成。对溅射完成的样品进行摩擦磨损测试，摩擦磨损实验在大气中进行，所用载荷为5n，摩擦副为硬度是60hrc的gcr15球，直径为6mm，摩擦副往复长度为5mm，滑动速率为0.08m/s。
17.实施例1。
18.将钛合金进行清洗、化学抛光后，放入真空烘箱烘干备用。将处理后的tc4合金片放入氢氟酸和磷酸的混合液中进行阳极氧化，温度为20℃，时间为2h期间不断搅拌。在进行阳极氧化处理之后将处理完毕的钛合金样品放入磁控溅射沉积系统进行沉积，覆膜时间设定为30min，工作温度为室温，射频溅射二硫化钼颗粒的功率为80w，直流溅射铝靶材功率为5w，反应室背底真空度为5
×
10-3
pa，样品预溅射时间为180s，氩气气氛压力为1pa。溅射过程经过辉光清洗、抽真空、预溅射、调压和溅射，溅射结束后样品制备完成。
19.实施例2。
20.将钛合金进行清洗、化学抛光后，放入真空烘箱烘干备用。将处理后的tc4合金片放入氢氟酸和磷酸的混合液中进行阳极氧化，温度为20℃，时间为2h期间不断搅拌。在进行阳极氧化处理之后将处理完毕的钛合金样品放入磁控溅射沉积系统进行沉积，覆膜时间设
定为30min，工作温度为室温，射频溅射二硫化钼颗粒的功率为80w，直流溅射铝靶材功率为10w，反应室背底真空度为5
×
10-3
pa，样品预溅射时间为180s，氩气气氛压力为1pa。溅射过程经过辉光清洗、抽真空、加热、预溅射、调压和溅射，溅射结束后样品制备完成。
21.实施例3。
22.将钛合金进行清洗、化学抛光后，放入真空烘箱烘干备用。将处理后的tc4合金片放入氢氟酸和磷酸的混合液中进行阳极氧化，温度为20℃，时间为2h期间不断搅拌。在进行阳极氧化处理之后将处理完毕的钛合金样品放入磁控溅射沉积系统进行沉积，覆膜时间设定为30min，工作温度为室温，射频溅射二硫化钼颗粒的功率为80w，直流溅射铝靶材功率为15w，反应室背底真空度为5
×
10-3
pa，样品预溅射时间为180s，氩气气氛压力为1pa。溅射过程经过辉光清洗、抽真空、加热、预溅射、调压和溅射，溅射结束后样品制备完成。
23.实施例4。
24.将钛合金进行清洗、化学抛光后，放入真空烘箱烘干备用。将处理后的tc4合金片放入氢氟酸和磷酸的混合液中进行阳极氧化，温度为20℃，时间为2h期间不断搅拌。在进行阳极氧化处理之后将处理完毕的钛合金样品放入磁控溅射沉积系统进行沉积，覆膜时间设定为30min，工作温度为室温，射频溅射二硫化钼颗粒的功率为80w，直流溅射铝靶材功率为20w，反应室背底真空度为5
×
10-3
pa，样品预溅射时间为180s，氩气气氛压力为1pa。溅射过程经过辉光清洗、抽真空、加热、预溅射、调压和溅射，溅射结束后样品制备完成。
25.表1磁控溅射参数总表
[0026][0027]
表2摩擦系数及服役寿命汇总表
[0028]