CN106086990B - 一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法 - Google Patents

一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法 Download PDF

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Abstract

一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，属于金属材料表面改性技术领域。首先采用阳极氧化方法在金属钛表面原位组装二氧化钛多孔薄膜，然而利用磁控溅射技术将固体润滑剂引入到多孔氧化钛薄膜。钛表面的摩擦系数最低可到0.20，远低于纯钛的摩擦系数0.46；固体润滑剂沉积在多孔二氧化钛薄膜表面，可循环4305次，未含多孔二氧化钛薄膜循环15次润滑剂便脱落；本发明提供的多孔二氧化钛薄膜固载固体润滑剂的技术，可以大幅度降低金属钛表面的摩擦系数，为解决钛合金紧固件因粘结而造成的咬合提供了一条新的有效措施。

Description

一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法
技术领域
一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术
钛合金具有强度高、密度小、机械性能好、韧性和抗蚀性能好的特点，是航空工业的首选材料。但钛合金抗磨性差，易于产生粘连咬死现象，严重限制了钛合金在航空领域的应用。类石墨烯结构的二硫化钼具有较低的摩擦系数，是优异的润滑剂。将固体润滑剂MoS2引入到金属钛表面可以降低钛合金表面的摩擦系数，但是钛合金活性高，易于在表面形成氧化膜，将钛和MoS2直接接触，两者很难形成良好的结合，固体润滑剂MoS2易于从钛表面脱落。采用阳极氧化的方法在钛基底上可制备高度有序、结构可控的二氧化钛纳米管阵列，这是改变钛合金表面性能的有效方式。磁控溅射是一种非常有效的物理气相沉积方法，技术成熟，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。
发明内容
一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，利用脉冲阳极氧化技术在钛片上制备高度有序的二氧化钛纳米管阵列，采用磁控溅射的方法将二硫化钼润滑剂溅射到二氧化钛纳米管阵列上。所制备出的样品进行力学性能测试，其中摩擦系数最低可达到0.2，远低于纯钛的摩擦系数(0.46)；将固体润滑剂直接沉积在金属钛表面，在5N载荷下，循环15次MoS2便脱落，而将固体润滑剂沉积在多孔二氧化钛薄膜表面，循环4305次，MoS2仍然固定在钛表面，仍能保持很低的摩擦系数。本发明提供的多孔二氧化钛薄膜固载固体润滑剂的技术，可以大幅度降低金属钛表面的摩擦系数，为解决钛合金紧固件因粘结而造成的咬合提供了一条新的有效措施。
本发明提供的制备方法，其特征在于，制备过程包括以下步骤：
(1)钛片预处理：首先将钛片基体表面附着的杂质和氧化皮去除，优选分别采用丙酮、乙醇、去离子水超声，超声后酸洗，酸洗液优选为HF、HNO3、H2O的混合溶液，酸洗后在去离子水中超声，烘干备用；
(2)预处理后的钛片脉冲阳极氧化：在含有氟离子的无机水溶液中进行脉冲阳极氧化；
优选脉冲氧化电压分别在20V、10V、20V、10V各10min，最后在20V下氧化4h，氧化后将样品取出用去离子水冲洗，烘干；含有氟离子的无机水溶液为含NH4HF、NH4H2PO3的混合水溶液。
(3)热处理：将步骤(2)氧化后的样品在400-600℃进行热处理，保温2h，然后随炉冷却至室温；
(4)磁控溅射制备二硫化钼薄膜：以步骤(3)热处理后的二氧化钛纳米阵列为基体，二硫化钼为靶材，采用射频电源进行溅射，经过抽真空、加热、预溅射、溅射后，冷却至60℃取出。
优选溅射参数有溅射功率50W-300W、溅射时间10min-30min、溅射温度为室温-400℃，进一步优选有溅射功率300W、溅射时间20min、溅射温度为400℃。优选其中背底真空度为5×10-4Pa，预溅射时间为180s除去杂质和氧化物，氩气压力为1Pa。室温一般为20-35℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用脉冲阳极氧化技术在钛基体上制备结构可控、排列高度有序的二氧化钛纳米管阵列，采用射频磁控溅射的方法将二硫化钼颗粒固载到二氧化钛纳米管阵列上。所制备的样品进行力学性能测试，其中摩擦系数最低可达到0.2，远低于纯钛的摩擦系数(0.46)；将固体润滑剂直接沉积在金属钛表面，在5N载荷下，循环15次MoS2便脱落，而将固体润滑剂沉积在多孔二氧化钛薄膜表面，循环4305次，MoS2仍然固定在钛表面，仍能保持很低的摩擦系数。步骤(2)所用无机溶液(NH4HF2、NH4H2PO4的水溶液)制备的二氧化钛纳米管阵列与钛基体具有很强的结合力，纳米管不易从基体脱落。
步骤(4)中磁控溅射基底为一种多孔的氧化钛薄膜，是阳极氧化出的二氧化钛纳米管阵列与溅射出的二硫化钼润滑剂结合，改变传统钛基体与二硫化钼结合的方式。本发明的技术方案重复性好，效果优异明显。本发明得到的二硫化钼颗粒为针状或/和片装组装而成的球状纳米颗粒。
附图说明
本发明有四个附图，现分别说明如下：
图1：氧化电压20V的二氧化钛SEM图
图2：磁控溅射后二硫化钼SEM图
图3：磁控溅射后二硫化钼XRD衍射图
图4：含TiO2纳米管与不含TiO2纳米管样品摩擦系数对比图。
具体实施方式
以下举例说明本发明多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法的具体实施方式，但本发明并不限于以下实施例。
以下实施例中金属钛片预处理后的钛片脉冲阳极氧化的工艺参数：脉冲氧化电压分别在20V、10V、20V、10V各10min，最后在20V下氧化4h，氧化后将样品取出用去离子水冲洗，烘干；含有氟离子的无机水溶液为含NH4HF、NH4H2PO3的混合水溶液。
实施例1
将金属钛片进行超声、酸洗处理，在含有氟离子的无机水溶液中脉冲阳极氧化4h，经450℃热处理后超声烘干；氧化出的钛片与酸洗后钛片均放入磁控溅射覆膜系统中，溅射时间定为10min，溅射温度设置为100℃，溅射功率分别为50W、100W、150W、200W、300W，背底真空度为5×10-4Pa，预溅射时间为180s，氩气压力为1Pa。经过抽真空、加热、预溅射、调压、溅射，冷却至60℃取出。不同溅射功率下的样品制备完成。
实施例2
将金属钛片进行超声、酸洗处理，在含有氟离子的无机水溶液中脉冲阳极氧化4h，经450℃热处理后超声烘干；氧化出的钛片与酸洗后钛片均放入磁控溅射覆膜系统中，溅射功率定为100W，溅射温度设置为100℃，溅射时间分别为10min、20min、30min，背底真空度为5×10-4Pa，预溅射时间为180s，氩气压力为1Pa。经过抽真空、加热、预溅射、调压、溅射，冷却至60℃取出。不同溅射时间下的样品制备完成。
实施例3
将金属钛片进行超声、酸洗处理，在含有氟离子的无机水溶液中脉冲阳极氧化4h，经450℃热处理后超声烘干；氧化出的钛片与酸洗后钛片均放入磁控溅射覆膜系统中，溅射功率定为100W，溅射时间为10min，溅射温度分别设为室温、100℃、200℃、300℃、400℃，背底真空度为5×10-4Pa，预溅射时间为180s，氩气压力为1Pa。经过抽真空、加热、预溅射、调压、溅射，冷却至60℃取出。不同溅射温度下的样品制备完成。
上述实施例重复性好，得到的类似的技术效果，氧化电压20V的二氧化钛SEM图见图1，磁控溅射后二硫化钼SEM图见图2，磁控溅射后二硫化钼XRD衍射图见图3，含TiO2纳米管与不含TiO2纳米管样品摩擦系数对比图见图图4。
表1实施例1摩擦系数汇总表

Claims (6)

1.一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钛片预处理：首先将钛片基体表面附着的杂质和氧化皮去除；
(2)预处理后的钛片脉冲阳极氧化：在含有氟离子的无机水溶液中进行脉冲阳极氧化；
(3)热处理：将步骤(2)氧化后的样品在400-600℃进行热处理，保温2h，然后随炉冷却至室温；
(4)磁控溅射制备二硫化钼薄膜：以步骤(3)热处理后的二氧化钛纳米阵列为基体，二硫化钼为靶材，采用射频电源进行溅射，经过抽真空、加热、预溅射、溅射后，冷却至60℃取出；步骤(4)溅射参数有溅射功率50W-300W、溅射时间10min-30min、溅射温度为室温-400℃；所得二硫化钼颗粒为针状或/和片装组装而成的球状纳米颗粒。
2.按照权利要求1所述的一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，其特征在于，步骤(1)钛片预处理：分别采用丙酮、乙醇、去离子水超声，超声后酸洗，酸洗液为HF、HNO3、H2O的混合溶液，酸洗后在去离子水中超声，烘干备用。
3.按照权利要求1所述的一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，其特征在于，步骤(2)脉冲氧化电压分别在20V、10V、20V、10V各10min，最后在20V下氧化4h，氧化后将样品取出用去离子水冲洗，烘干。
4.按照权利要求1所述的一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，其特征在于，步骤(2)含有氟离子的无机水溶液为含NH4HF、NH4H2PO3的混合水溶液。
5.按照权利要求1所述的一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，其特征在于，步骤(4)溅射参数有溅射功率300W、溅射时间20min、溅射温度为400℃。
6.按照权利要求1所述的一种多孔氧化钛薄膜固载二硫化钼的方法，其特征在于，步骤(4)背底真空度为5×10-4Pa，预溅射时间为180s除去杂质和氧化物，氩气压力为1Pa。
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