CN108188393B

CN108188393B - 一种双层结构tc4基钛合金自润滑材料及其制备方法

Info

Publication number: CN108188393B
Application number: CN201711478534.5A
Authority: CN
Inventors: 史晓亮; 周宏胭; 黄玉春; 刘锡尧; 卢冠辰; 邓骁斌; 闫昭; 章桥新
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN108188393A

Abstract

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。

Description

一种双层结构TC4基钛合金自润滑材料及其制备方法

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。

按上述方案，所述顶层结构中石墨烯的添加量为基体TC4钛合金质量的(1.5～2.5) wt.％，底层结构中石墨烯的添加量为基体TC4钛合金质量的(0.5～1.0)wt.％。

按上述方案，所述基体材料TC4钛合金主要包括元素Ti、Al、V、Fe、C等。优选地，本发明中所述基体材料TC4钛合金中各元素按质量百分比计为：Al 5.5～6.8％，V 3.5～4.5％，Fe≤0.30％，C≤0.10％，以及余量的Ti。

上述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，其具体制备方法包括如下步骤：

1)根据底层结构和顶层结构中TC4钛合金的组成元素及其含量，分别称取其TC4钛合金的组成元素的单质粉末，作为基体原料粉末；分别按TC4钛合金质量的(0.5～1.0)wt.％和(1.5～2.5)wt.％，分别选取底层结构和顶层结构中石墨烯粉末，然后与基体原料粉末按比例混合均匀，得到底层结构和顶层结构的原料粉末；

2)将步骤1)所得原料粉末分别在惰性气体的保护下进行高温熔化，分别得到底层结构和顶层结构的熔融合金液；

3)将步骤2)所得的两种熔融合金液分别进行真空气雾化，雾化所得熔滴冷却凝固后形成球形金属粉末，即分别为底层结构和顶层结构所需的含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末；

4)分别选取底层结构和顶层结构所需的含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末，依次加入到送粉设备中，采用激光熔融沉积工艺将其在激光的高温下烧结为金属液，然后通过逐层叠加的方式，得到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。

上述方案中，步骤1)所述的粉末混合，采用振动混料；其中，振动频率为50～60Hz，振动力为8000～10000N，振荡时间为30～40min；

上述方案中，步骤2)所述惰性气体优选氮气等。充入惰性气体前，预先抽真空至真空度为<0.05Pa；充入惰性气体后，其中含氧量<100ppm。

上述方案中，步骤2)中所述熔化的温度为1200～1400℃。

上述方案中，步骤3)中采用的真空气雾化工艺的具体步骤为：采用雾化装置，将其接通高压气源，待稳定运行一段时间后，打开放液阀，将熔融合金液通过环孔型喷嘴流入雾化室，熔融合金液与通入的气体相互作用而被雾化形成流场；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末。其中采用的保护气体为氮气，氮气进口压力为4.6～5.4Mpa；熔融合金液流量1.6～2.4kg/min。

上述方案中，步骤3)所需的含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末进行筛选，粒径优选控制在45～80μm范围内。

上述方案中，步骤4)中所述送粉设备的粉末输出方式为同轴送粉；激光熔融沉积工艺参数为：激光功率4～5kW，扫描速率1.2～1.6m/min，送粉率10～30g/min，扫描层厚为0.08～0.1mm。

本发明所得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经摩擦实验，结果表明其在摩擦磨损过程中体现出优良的摩擦学性能，摩擦系数较小(平均值约0.2～0.27)，且波动幅度较小，磨损率为4.6～5.2×10^-5mm³/(Nm)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的双层结构TC4基钛合金自润滑材料将石墨烯通过梯度分布原位复合在 TC4钛合金中，形成的摩擦界面层上软、下硬，使表层具有更好的减磨效果，顶层石墨烯含量高，能更快、更有效地实现自润滑。与润滑相均匀分布的自润滑材料比较，双层结构TC4 基钛合金自润滑材料表层结构相对较薄而石墨烯多，底层厚而石墨烯相对少，从而节省了石墨烯的用量，对于资源的节约具有重大意义。

2、本发明采用石墨烯作为润滑相和增强相，既能克服以往颗粒增强相TiC、TiB等增强钛基复合材料室温塑性差、高温加工较困难、易变形不协调等缺点，又能有效降低材料在滑动过程中的摩擦系数和磨损率，使制备的双层结构TC4基钛合金自润滑材料具有稳定优良的摩擦学性能。

3、本发明采用真空气雾化的方法制备球形粉末大大提高了制备效率，节约能源，且所需设备费用较低，有效降低了制造自润滑材料的成本；采用激光熔融沉积的方法制备双层结构TC4基钛合金自润滑材料，能实现摩擦界面层可控制备，且所需原材料价格适中，来源广泛。此外，本发明制备过程中工艺参数容易控制且可行性高，制备工艺简单易操作，节能环保，适合规模化广泛应用。

因此，本发明基于激光熔融沉积制备一种具有双层结构的含石墨烯的TC4基钛合金自润滑材料，对摩擦界面结构各层的厚度以及石墨烯的含量进行设计和优化，实现摩擦界面层可控制备，使制备的材料具备更优异的润滑性能与耐磨性能，且能源消耗低，适用于规模批量化生产。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。

图2是本发明实施例1制备的顶层含1.5wt.％石墨烯的TC4基钛合金球形粉末的扫描电镜照片，放大倍数为200倍。

图3是本发明实施例2制得的以石墨烯为润滑相和增强相的TC4基钛合金自润滑材料顶层和底层结合处截面的电子探针照片。

图4是本发明实施例2制得的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在摩擦磨损实验后得到的磨痕的电子探针照片。

图5为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得的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的摩擦系数曲线，测试条件为：载荷15N、滑动速度0.2m/s、时间60min、摩擦半径4mm。其中，(a)代表实施例1，(b)代表实施例2，(c)代表实施例3。

图6为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得的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的磨损率测试结果，测试条件为：载荷15N、滑动速度0.2m/s、时间60min、摩擦半径4mm。其中，(a)代表实施例1，(b)代表实施例2，(c)代表实施例3。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

下述实施案例中，所述的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由含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末采用激光熔融沉积制备而成。本发明提供一种具体制备方法，但是不限定其制备方法，其他方法制备得到的符合本发明所述要求含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末、双层结构TC4基钛合金自润滑材料也属于本发明的保护范围。

实施例1

一种双层结构TC4基钛合金自润滑材料，包括顶层和底层两层结构，均以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。其中，TC4 钛合金中元素Al、V、Fe、C和Ti的质量比值为6.0：4.0：0.3：0.1：89.6；顶层结构厚度为1.5mm，石墨烯的添加量为基体TC4钛合金质量的1.5wt.％；底层结构厚度为6.5mm，石墨烯的添加量为基体TC4钛合金质量的0.5wt.％。

如图1所示，上述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的制备方法具体包括如下步骤：

1)在顶层结构中，按TC4钛合金中各元素的质量比称取Al粉1.18克、V粉0.79克、Fe粉0.06克、C粉0.02克、Ti粉17.64克，以及石墨烯粉末0.3克；将Al粉、V粉、Fe 粉、C粉、Ti粉和石墨烯粉末混合，得到配料；

2)在底层结构中，按TC4钛合金中各元素的质量比称取Al粉5.12克、V粉3.43克、Fe粉0.26克、C粉0.09克、Ti粉76.44克，以及石墨烯粉末0.43克；将Al粉、V粉、Fe 粉、C粉、Ti粉和石墨烯粉末混合，得到配料；

3)将步骤1)和步骤2)的配料分别置于振动混料机内干混，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为50Hz，振动力为8000N，振荡时间为30分钟；将粉末充分混合后加入溶炼炉中；

4)将熔炼室抽至真空度<0.05Pa，充入惰性保护气体氮气，使环境含氧量<100ppm；将步骤3)所得充分混合后的两种粉末分别加入高温熔炼炉中熔化为熔融合金液，高温熔炼炉温度为1200℃；

5)将雾化室抽至真空，接通高压氮气气源，待稳定运行一段时间后，打开放液阀，将步骤4)所得的两种熔融合金液分别通过环孔型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的氮气相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中氮气的进口压力为4.6MPa，熔融合金液流量1.6 kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末；

6)将步骤5)的两种金属粉末分别收集于接收罐，待粉末充分冷却至室温后，按粒径范围为45-80μm的要求进行筛分，得到所需的含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末；

由图2可知：上述顶层和底层分别制备的含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末为单颗粒的球状，单颗粒的直径为45-80μm，符合激光熔融所需的粉末粒径要求。

7)将步骤6)所得底层含0.5wt.％石墨烯的TC4基钛合金球形粉末(按预期成品TC4基钛合金自润滑材料重量的5倍称取)加入激光熔融沉积设备中，激光熔融沉积工艺参数为：激光功率4.0kW，扫描速率1.2m/min，送粉率10g/min，扫描层厚为0.08mm，打印层厚为6.5mm，经激光烧结成型，得到以石墨烯为润滑相和增强相的TC4基钛合金自润滑材料底层结构。

8)将步骤6)所得顶层含1.5wt.％石墨烯的TC4基钛合金球形粉末加入激光熔融沉积设备中，经激光烧结逐层叠加到步骤7)所得的底层结构上，打印厚度为1.5mm，得到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。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例1所制备的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，其表层硬度为1.96GPa，相对密度为99.5％。图5(a)和6(a)表明：本实施例制备的双层结构TC4基钛合金自润滑材料的摩擦系数较小 (平均值约0.27)，且波动幅度较小，磨损率为5.2×10^-5mm³/(Nm)，体现出优良的摩擦学性能。

实施例2

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，包括顶层和底层两层结构，均以TC4钛合金为基体，以石墨烯为润滑相和增强相；顶层和底层为含不同添加量石墨烯的TC4基钛合金自润滑材料。其中TC4钛合金中元素Al、V、Fe、C和Ti的质量比值为6.0：4.0：0.3：0.1：89.6；顶层结构厚度为1.25mm，石墨烯的添加量为基体 TC4钛合金质量的2.0wt.％；底层结构厚度为6.75mm，石墨烯的添加量为基体TC4钛合金质量的0.75wt.％。

1)在顶层结构中，按TC4钛合金中各元素的质量比称取Al粉0.98克、V粉0.66克、Fe粉0.05克、C粉0.02克、Ti粉14.7克，以及石墨烯粉末0.33克；将Al粉、V粉、Fe 粉、C粉、Ti粉和石墨烯粉末混合，得到配料；

2)在底层结构中，按TC4钛合金中各元素的质量比称取Al粉5.32克、V粉3.54克、Fe粉0.27克、C粉0.09克、Ti粉79.38克，以及石墨烯粉末0.66克；将Al粉、V粉、Fe 粉、C粉、Ti粉和石墨烯粉末混合，得到配料；

3)将步骤1)和步骤2)的配料分别置于振动混料机内干混，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为55Hz，振动力为9000N，振荡时间为35分钟；将粉末充分混合后加入溶炼炉中；

4)将熔炼室抽至真空度<0.05Pa，充入惰性保护气体氮气，使环境含氧量<100ppm；将步骤3)所得充分混合后的两种粉末分别加入高温熔炼炉中熔化为熔融合金液，高温熔炼炉温度为1300℃；

5)将雾化室抽至真空，接通高压氮气气源，待稳定运行一段时间后，打开放液阀，将步骤4)所得的两种熔融合金液分别通过环孔型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的氮气相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中氮气的进口压力为5.0MPa，熔融合金液流量2.0 kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末；

7)将步骤6)所得底层含0.75wt.％石墨烯的TC4基钛合金球形粉末加入激光熔融沉积设备中，激光熔融沉积工艺参数为：激光功率4.5kW，扫描速率1.4m/min，送粉率 20g/min，扫描层厚为0.09mm，打印层厚为6.75mm，经激光烧结成型，得到以石墨烯为润滑相和增强相的TC4基钛合金自润滑材料底层结构。

8)将步骤6)所得顶层含2.0wt.％石墨烯的TC4基钛合金球形粉末加入激光熔融沉积设备中，经激光烧结逐层叠加到步骤7)所得的底层结构上，打印厚度为1.25mm，得到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。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例2所制备的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的表层硬度为2.21GPa，相对密度为99.5％。由图3所示的双层结构TC4基钛合金自润滑材料在摩擦磨损实验后得到的磨痕图可知磨痕表面光滑平整。图5(b)和6(b)表明：本实施例制备的双层结构TC4基钛合金自润滑材料的摩擦系数较小(平均值约0.2)，并且波动幅度小，磨损率为4.6×10^-5mm³/(Nm)，体现出优良的摩擦学性能。

实施例3

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，包括顶层和底层两层结构，均以TC4钛合金为基体，以石墨烯为润滑相和增强相；顶层和底层为含不同添加量石墨烯的TC4基钛合金自润滑材料。其中，TC4钛合金中元素Al、V、Fe、C和Ti 的质量比值为6.0：4.0：0.3：0.1：89.6；顶层结构厚度为1.0mm，石墨烯的添加量为基体 TC4钛合金质量的2.5wt.％；底层结构厚度为7.0mm，石墨烯的添加量为基体TC4钛合金质量的1.0wt.％。

1)在顶层结构中，按TC4钛合金中各元素的质量比称取Al粉0.79克、V粉0.53克、Fe粉0.04克、C粉0.01克、Ti粉11.76克，以及石墨烯粉末0.33克；将Al粉、V粉、Fe 粉、C粉、Ti粉和石墨烯粉末混合，得到配料；

2)在底层结构中，按TC4钛合金中各元素的质量比称取Al粉5.51克、V粉3.68克、Fe粉0.28克、C粉0.09克、Ti粉82.32克，以及石墨烯粉末0.92克；将Al粉、V粉、Fe 粉、C粉、Ti粉和石墨烯粉末混合，得到配料；

3)将步骤1)和步骤2)的配料分别置于振动混料机内干混，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为60Hz，振动力为10000N，振荡时间为40分钟；将粉末充分混合后加入溶炼炉中；

4)将熔炼室抽至真空度<0.05Pa，充入惰性保护气体氮气，使环境含氧量<100ppm；将步骤3)所得充分混合后的两种粉末分别加入高温熔炼炉中熔化为熔融合金液，高温熔炼炉温度为1400℃；

5)将雾化室抽至真空，接通高压氮气气源，待稳定运行一段时间后，打开放液阀，将步骤4)所得的两种熔融合金液分别通过环孔型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的氮气相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中氮气的进口压力为5.4MPa，熔融合金液流量2.4 kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末；

7)将步骤6)所得底层含1.0wt.％石墨烯的TC4基钛合金球形粉末加入激光熔融沉积设备中，激光熔融沉积工艺参数为：激光功率5.0kW，扫描速率1.6m/min，送粉率30g/min，扫描层厚为0.1mm，打印层厚为7.0mm，经激光烧结成型，得到以石墨烯为润滑相和增强相的TC4基钛合金自润滑材料底层结构。

8)将步骤6)所得顶层含2.5wt.％石墨烯的TC4基钛合金球形粉末加入激光熔融沉积设备中，经激光烧结逐层叠加到步骤7)所得的底层结构上，打印厚度为1.0mm，得到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。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例3所制备的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的表层硬度为2.52GPa，相对密度为99.5％。图5(c)是室温条件下，测试本发明实施例3所制得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的摩擦系数曲线，可知该自润滑复合材料的摩擦系数较小(平均值约0.24)，且波动幅度小。图6(c)表明实施例3制备出的双层结构TC4基钛合金自润滑材料的磨损率为4.8×10^-5mm³/(Nm)。可知本实施例制备的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表现出了优良的摩擦学性能。

根据上述三个实施例的实验结果，表明本发明所得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在摩擦磨损过程中体现出优良的摩擦学性能，摩擦系数较小 (平均值约0.2-0.27)，且波动幅度较小，磨损率为4.6-5.2×10^-5mm³/(Nm)。

综上所述，本发明按添加比例选取石墨烯粉末加入到基体粉末TC4钛合金中，采用振动混料、高温熔融、真空气雾化的工艺技术，制备出一种具备单颗粒结构的含石墨烯的TC4 基钛合金球形粉末材料；然后采用激光熔融沉积的方法制备出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。本发明所得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，其纯度高、致密性好，具有优良的摩擦学性能，在摩擦磨损过程中的摩擦系数和磨损率较低；而且制备过程中所涉及的步骤方法简单便捷，适用于规模化批量生产。

本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温度、转速、激光功率、送粉率等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种TC4基钛合金自润滑材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)TC4基钛合金自润滑材料为双层结构，分为顶层和底层，顶层和底层分别为石墨烯添加量不同的TC4基钛合金自润滑材料，以TC4钛合金为基体；顶层结构中石墨烯的添加量为基体TC4钛合金质量的(1.5～2.5)wt.％，底层中石墨烯的添加量为基体TC4钛合金质量的(0.5～1.0)wt.％；

根据底层结构和顶层结构中TC4钛合金的组成元素及其含量，分别称取其TC4钛合金的组成元素的单质粉末，作为基体原料粉末；分别按TC4钛合金质量的(0.5～1.0)wt.％和(1.5～2.5)wt.％，分别选取底层结构和顶层结构中石墨烯粉末，分别与基体原料粉末按比例混合均匀，得到底层结构和顶层结构的原料粉末；其中，所述TC4钛合金中各组成元素的单质粉末为Ti粉、Al粉、V粉、Fe粉、C粉，粉末粒径均为30～55μm；石墨烯的平均厚度为5～15nm，径向尺寸为0.5～20μm；

4)分别选取底层结构和顶层结构所需的含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末，依次加入到送粉设备中，采用激光熔融沉积工艺将其在激光的高温下烧结为金属液，然后通过逐层叠加的方式，得到双层结构TC4基钛合金自润滑材料；

所述双层结构TC4基钛合金自润滑材料，顶层的厚度为(1.0～1.5)mm，底层的厚度为(6.5～7)mm；摩擦系数平均值为0.2～0.27，磨损率为4.6×10^-5～5.2×10^-5mm³/(Nm)。

2.根据权利要求1所述的TC4基钛合金自润滑材料的制备方法，其特征在于所述高温熔融工艺为：真空度<0.05MPa，含氧量<100ppm，熔化温度为1200～1400℃。

3.根据权利要求1所述的TC4基钛合金自润滑材料的制备方法，其特征在于所述真空气雾化工艺为：保护气氛，保护气体进口压力为4.6～5.4MPa，熔融合金液流量为1.6～2.4kg/min。

4.根据权利要求1所述的TC4基钛合金自润滑材料的制备方法，其特征在于所述含石墨烯的TC4基钛合金球形粉末，粒径在45～80μm范围内。

5.根据权利要求1所述的TC4基钛合金自润滑材料的制备方法，其特征在于所述激光熔融沉积工艺参数为：激光功率4～5kW，扫描速率1.2～1.6m/min，送粉率10～30g/min，扫描层厚为0.08～0.1mm。