[发明专利]一种双层结构TC4基钛合金自润滑材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种双层结构TC4基钛合金自润滑材料，它以TC4钛合金为基体材料，以石墨烯为润滑相和增强相，依次经过振动混料、高温熔融、真空气雾化、激光熔融沉积工艺制备顶层和底层含不同添加量石墨烯的TC4基钛合金自润滑材料。该自润滑材料将石墨烯通过梯度分布原位复合在TC4钛合金基体中，所得的自润滑材料在摩擦磨损过程中的摩擦系数和磨损率较低，相比于润滑相和增强相分布均匀的自润滑材料，既能更好、更快地实现减摩耐磨性能，又能节省贵重润滑相和增强相石墨烯，且制备过程中工艺参数容易控制，对提高自润滑材料的摩擦学性能及其工业化应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种以石墨烯为润滑相和增强相的双层结构TC4基钛合金自润滑材料及其制备方法。

背景技术

钛合金具有强度高、比重小的特点，在同等的连接强度下，钛合金紧固件比钢紧固件的重量轻，所以钛合金紧固件具有良好的减重效果。同时，钛合金疲劳强度高，应力集中敏感性低，性能优于类似用途的钢材，钛合金紧固件在现代航空航天飞行器中的用量不断增加。但钛合金表面硬度低、摩擦系数高、抗磨性能差，特别是对粘着磨损和微动磨损非常敏感。针对需要拆卸的零部件，紧固件需要多次重复使用，其对紧固件反复装卸的可靠性要求很高。摩擦导致热量产生与能量消耗，降低机械零部件使用精度。磨损导致配合精度降低与材料损失增加，降低机械零部件使用寿命。因此，如何改善钛合金紧固件表面的摩擦学性能，消除装卸过程中螺纹的粘连、咬死现象，是保证其在设计与使用过程中高可靠性必须解决的关键问题。

95％以上的钛合金紧固件都采用Ti-6A1-4V(TC4)材料制造。为提高TC4钛合金基金属材料摩擦学性能，国内外学者开展了大量科学研究工作。任佳等人以金属陶瓷Ni60和固体润滑剂h-BN复合合金粉末为原料，采用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备了以硬质相 TiC、TiB、CrB₂等为耐磨增强相，以h-BN为固体润滑相的自润滑耐磨复合涂层。研究结果发现在所有实验载荷下，复合涂层的摩擦系数和磨损率均比基体合金的低。Jin等采用微弧氧化技术将TiO₂陶瓷涂层制备在TC4钛合金上，并经过搪瓷处理，结果表明该涂层提高了TC4钛合金的摩擦学性能和耐腐蚀性。Bai等采用浇注法在TC4钛合金表面制备 (TiC+TiB)涂层，经过摩擦磨损实验，结果表明原位合成复合涂层的硬度和磨损率均高于基体合金，具有优异的耐磨性，摩擦系数小，摩擦性能稳定。这些研究方法通常是在TC4钛合金基体表面沉积润滑和增强涂层，界面结合能力差，且润滑和增强涂层寿命有限，一旦失效将破坏摩擦副间的减磨耐磨性。

目前金属基自润滑材料的研究中，采用的制备工艺主要为粉末烧结工艺、热挤压技术及放电等离子成形。这些制备工艺方法一方面存在较大热量梯度分布，影响了材料组织结构均匀性；另一方面在材料成形时还需要专用模具，且存在成形工艺复杂与机械加工性能较差等问题。此外，均匀形成的摩擦层成分、厚度不可控，需要在特定摩擦工况和摩擦磨损一定时间后才能形成，在个别工况下无法形成摩擦层或形成的摩擦层减摩耐磨性能不好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种以石墨烯为润滑相和增强相的双层结构TC4基钛合金自润滑材料及其制备方法，主要以航空紧固件材料 TC4钛合金为基体材料，在顶层和底层添加不同含量的润滑相和增强相石墨烯，所得的自润滑材料具有优良的摩擦学性能。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种双层结构TC4基钛合金自润滑材料，它以TC4钛合金为基体，以石墨烯为润滑相和增强相，依次经过振动混料、高温熔融、真空气雾化、激光熔融沉积工艺制备顶层和底层含不同添加量石墨烯的TC4基钛合金自润滑材料。

按上述方案，所述双层结构中顶层的厚度为(1.0～1.5)mm，底层的厚度为(6.5～7) mm。