CN111893542B - 一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钛合金微弧氧化技术领域，且公开了一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，包括以下配方原料：钛合金、纳米ZrO2、纳米SiO2、硬脂酸、硅烷偶联剂。该一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，以乙二胺四乙酸二钠‑Na2SiO3‑Na2HPO4‑NaOH为电解液体系，加入纳米ZrO2，采用分段电压法进行微弧氧化过程，使钛合金的表面形成涂层厚度均匀的ZrO2涂层，改善了钛合金耐磨损性能，硬脂酸乙醇和十三氟辛基三甲氧基硅烷修饰纳米SiO2，纳米SiO2填充进涂层表面的孔洞中，增强了涂层致密性，提高了涂层的强度和耐腐蚀性，纳米SiO2中接枝的强疏水性长烷基链段和全氟烷基链段，增大了ZrO2复合陶瓷涂层的粗糙程度，赋予了钛合金表面ZrO2涂层的超疏水性能。

Description

一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金及其制法
技术领域
本发明涉及钛合金微弧氧化技术领域，具体为一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金及其制法。
背景技术
钛是一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐热性高、韧性大、成形性快等特定，应用于航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展，钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件等，
钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金，钛有两种同质异晶体：密排六方结构α钛和体心立方的β钛，合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：稳定α相元素，如铝、碳、氧等，可以提高相转变温度，增强合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量；β稳定元素，如钒、锰、硅等，可以稳定β相，降低相变温度；中性元素，有锆、锡等，对钛合金相变温度影响不明显的元素。
钛合金产品最重要高温钛合金、钛铝化合物、高强高韧β型钛合金、阻燃钛合金、医用钛合金等，但是当钛合金作为医用材料和生物材料使用时，其耐蚀、耐磨性较差，需要通过表面改性技术，如等离子喷涂法、电镀和化学镀法、物理气相沉积法、微弧氧化法等，来提高钛合金表面性能，但是通过表面改性技术后的钛合金很少具有超疏水性能，并且其耐磨和耐腐蚀性能仍然不高。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金及其制法，解决了钛合金表面很少具有超疏水性能，并且其耐磨和耐腐蚀性能较差的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，包括以下配方原料：钛合金、纳米ZrO2、纳米SiO2、硬脂酸、硅烷偶联剂。
优选的，所述钛合金为Ti-6Al-4V合金圆形薄片，规格为为厚度2-4mm，直径为20-30nm。
优选的，所述纳米ZrO2平均粒径为60nm，纳米SiO2平均粒径为15mn。
优选的，所述硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷。
优选的，所述超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为600-1000Hz，占空比为15-20％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化2-3min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化2-3min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化7-9min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金。
优选的，所述电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为1.8-2.2g/L，Na2SiO3浓度为12-14g/L，Na2HPO4浓度为7-9g/L，纳米ZrO2浓度为4-5g/L。
优选的，所述超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入无水乙醇和蒸馏水混合溶剂，两者体积比为1:2.5-3.5，再加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌1-2h，再加入纳米SiO2，将反应瓶置于超声处理仪中，在40-50℃下进行超声分散40-60min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金。
(2)将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至45-55℃，匀速搅拌反应3-5h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应3-5h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，重复此过程6-10次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金。
优选的，所述超声处理仪包括主机，主机的底部安装有超声探头，主机的外侧设置有握持部，主机的外侧且位于握持部的下方设置有凸台，凸台的顶部通过铰接轴活动连接有支撑板，主机的外侧且位于凸台的下方活动套接有转环，转环的顶部固定连接有贯穿至支撑板底部的圆柱，支撑板的底部开设有与圆柱对应的弧形槽，凸台的内部开设有与圆柱对应的滑动槽。
优选的，所述反应溶液中纳米SiO2的浓度为7-9g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:6-8:10-13。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
该一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，以乙二胺四乙酸二钠-Na2SiO3-Na2HPO4-NaOH为电解液体系，加入强度高、腐蚀性优异、磨损性强的纳米ZrO2，采用分段电压法进行微弧氧化过程，在钛合金的表面形成ZrO2复合陶瓷涂层，而传统的一次性施加电压法，施加电压结束后，会在涂层出现形成电弧电压，由于高能量放电集中一个区域，会导致涂层厚度不均匀，而分段电压法会使高能量放电较为分散，使钛合金的表面形成涂层厚度均匀的ZrO2涂层，大幅改善了钛合金耐磨损性能。
该一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，通过分段电压法进行微弧氧化后的形成ZrO2复合陶瓷涂层，表面孔洞较多，涂层致密度不高，通过硬脂酸乙醇和硅烷偶联剂十三氟辛基三甲氧基硅烷修饰纳米SiO2，纳米SiO2填充进涂层表面的孔洞中，增强了涂层致密性，提高了涂层的强度和耐腐蚀性，并且纳米SiO2中接枝的硬脂酸乙醇的长烷基链段，以及十三氟辛基三甲氧基硅烷的全氟烷基链段，具有优异的疏水性能，并且长支链结构增大了ZrO2复合陶瓷涂层的粗糙程度，形成微纳米粗糙结构，增大了与水的接触角和润湿角，赋予了钛合金表面ZrO2涂层的超疏水性能，拓宽了钛合金的实用性和适用范围。
附图说明
图1是本发明正面示意图；
图2是本发明支撑板与凸台连接结构俯视示意图；
图3是本发明支撑板张开状态俯视示意图；
图4是本发明凸台结构俯视示意图；
图5是本发明支撑板结构仰视示意图。
图中：1、主机；2、超声探头；3、握持部；4、凸台；5、铰接轴；6、支撑板；7、转环；8、圆柱；9、弧形槽；10、滑动槽。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，包括以下配方原料：钛合金、纳米ZrO2、纳米SiO2、硬脂酸、硅烷偶联剂，钛合金为Ti-6Al-4V合金圆形薄片，规格为为厚度2-4mm，直径为20-30nm，纳米ZrO2平均粒径为60nm，纳米SiO2平均粒径为15mn，硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷。
超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，其中电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为1.8-2.2g/L，Na2SiO3浓度为12-14g/L，Na2HPO4浓度为7-9g/L，纳米ZrO2浓度为4-5g/L，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为600-1000Hz，占空比为15-20％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化2-3min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化2-3min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化7-9min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金。
超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入无水乙醇和蒸馏水混合溶剂，两者体积比为1:2.5-3.5，再加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌1-2h，再加入纳米SiO2，其中纳米SiO2的浓度为7-9g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:6-8:10-13，将反应瓶置于超声处理仪中，超声处理仪包括主机，主机的底部安装有超声探头，主机的外侧设置有握持部，主机的外侧且位于握持部的下方设置有凸台，凸台的顶部通过铰接轴活动连接有支撑板，主机的外侧且位于凸台的下方活动套接有转环，转环的顶部固定连接有贯穿至支撑板底部的圆柱，支撑板的底部开设有与圆柱对应的弧形槽，凸台的内部开设有与圆柱对应的滑动槽，在40-50℃下进行超声分散40-60min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金。
(2)将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至45-55℃，匀速搅拌反应3-5h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应3-5h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，重复此过程6-10次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金。
实施例1
(1)制备ZrO2层微弧氧化钛合金组分1：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，其中电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为1.8g/L，Na2SiO3浓度为12g/L，Na2HPO4浓度为7g/L，纳米ZrO2浓度为4g/L，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为600Hz，占空比为15％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化2min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化2min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化7min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金组分1。
(2)超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料1：向反应瓶中加入无水乙醇和蒸馏水混合溶剂，两者体积比为1:2.5，再加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌1h，再加入纳米SiO2，其中纳米SiO2的浓度为7g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:6:10，将反应瓶置于超声处理仪中，超声处理仪包括主机，主机的底部安装有超声探头，主机的外侧设置有握持部，主机的外侧且位于握持部的下方设置有凸台，凸台的顶部通过铰接轴活动连接有支撑板，主机的外侧且位于凸台的下方活动套接有转环，转环的顶部固定连接有贯穿至支撑板底部的圆柱，支撑板的底部开设有与圆柱对应的弧形槽，凸台的内部开设有与圆柱对应的滑动槽，在40℃下进行超声分散40min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金组分1，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至45℃，匀速搅拌反应3h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应3h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，重复此过程6次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料1。
实施例2
(1)制备ZrO2层微弧氧化钛合金组分2：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，其中电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为1.8g/L，Na2SiO3浓度为12g/L，Na2HPO4浓度为9g/L，纳米ZrO2浓度为5g/L，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为600Hz，占空比为20％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化2min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化3min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化7min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金组分2。
(2)超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料2：向反应瓶中加入无水乙醇和蒸馏水混合溶剂，两者体积比为1:2.5，再加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌2h，再加入纳米SiO2，其中纳米SiO2的浓度为9g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:8:10，将反应瓶置于超声处理仪中，超声处理仪包括主机，主机的底部安装有超声探头，主机的外侧设置有握持部，主机的外侧且位于握持部的下方设置有凸台，凸台的顶部通过铰接轴活动连接有支撑板，主机的外侧且位于凸台的下方活动套接有转环，转环的顶部固定连接有贯穿至支撑板底部的圆柱，支撑板的底部开设有与圆柱对应的弧形槽，凸台的内部开设有与圆柱对应的滑动槽，在50℃下进行超声分散40min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金组分2，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至55℃，匀速搅拌反应3h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应3h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，重复此过程10次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料2。
实施例3
(1)制备ZrO2层微弧氧化钛合金组分3：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，其中电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为2g/L，Na2SiO3浓度为13g/L，Na2HPO4浓度为8g/L，纳米ZrO2浓度为4.5g/L，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为800Hz，占空比为18％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化2.5min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化2.5min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化8min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金组分3。
(2)超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料3：向反应瓶中加入无水乙醇和蒸馏水混合溶剂，两者体积比为1:3.5，再加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌1h，再加入纳米SiO2，其中纳米SiO2的浓度为8g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:7:11.5，将反应瓶置于超声处理仪中，超声处理仪包括主机，主机的底部安装有超声探头，主机的外侧设置有握持部，主机的外侧且位于握持部的下方设置有凸台，凸台的顶部通过铰接轴活动连接有支撑板，主机的外侧且位于凸台的下方活动套接有转环，转环的顶部固定连接有贯穿至支撑板底部的圆柱，支撑板的底部开设有与圆柱对应的弧形槽，凸台的内部开设有与圆柱对应的滑动槽，在40℃下进行超声分散50min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金组分3，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至50℃，匀速搅拌反应4h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应4h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，重复此过程8次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料3。
实施例4
(1)制备ZrO2层微弧氧化钛合金组分4：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，其中电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为2.2g/L，Na2SiO3浓度为14g/L，Na2HPO4浓度为9g/L，纳米ZrO2浓度为5g/L，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为1000Hz，占空比为20％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化3min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化3min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化9min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金组分4。
(2)超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料4：向反应瓶中加入无水乙醇和蒸馏水混合溶剂，两者体积比为1:3.5，再加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌2h，再加入纳米SiO2，其中纳米SiO2的浓度为9g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:8:13，将反应瓶置于超声处理仪中，超声处理仪包括主机，主机的底部安装有超声探头，主机的外侧设置有握持部，主机的外侧且位于握持部的下方设置有凸台，凸台的顶部通过铰接轴活动连接有支撑板，主机的外侧且位于凸台的下方活动套接有转环，转环的顶部固定连接有贯穿至支撑板底部的圆柱，支撑板的底部开设有与圆柱对应的弧形槽，凸台的内部开设有与圆柱对应的滑动槽，在50℃下进行超声分散60min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金组分4，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至55℃，匀速搅拌反应5h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应5h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，重复此过程10次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料4。
对比例1
(1)制备ZrO2层微弧氧化钛合金组分1：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，其中电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为1.5g/L，Na2SiO3浓度为11g/L，Na2HPO4浓度为10g/L，纳米ZrO2浓度为5g/L，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为1000Hz，占空比为20％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化4min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化1min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化12min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金组分1。
(2)超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料1：向反应瓶中加入无水乙醇和蒸馏水混合溶剂，两者体积比为1:2.5，再加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌2h，再加入纳米SiO2，其中纳米SiO2的浓度为6g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:5:14，将反应瓶置于超声处理仪中，超声处理仪包括主机，主机的底部安装有超声探头，主机的外侧设置有握持部，主机的外侧且位于握持部的下方设置有凸台，凸台的顶部通过铰接轴活动连接有支撑板，主机的外侧且位于凸台的下方活动套接有转环，转环的顶部固定连接有贯穿至支撑板底部的圆柱，支撑板的底部开设有与圆柱对应的弧形槽，凸台的内部开设有与圆柱对应的滑动槽，在50℃下进行超声分散40min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金组分1，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至55℃，匀速搅拌反应2h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应2h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，重复此过程12次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料1。
对比例2
(1)制备ZrO2层微弧氧化钛合金组分2：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，其中电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为3g/L，Na2SiO3浓度为9g/L，Na2HPO4浓度为11g/L，纳米ZrO2浓度为6g/L，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为1000Hz，占空比为20％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化1min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化4min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化5min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金组分2。
(2)超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料2：向反应瓶中加入无水乙醇和蒸馏水混合溶剂，两者体积比为1:2.5，再加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌1h，再加入纳米SiO2，其中纳米SiO2的浓度为12g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:9:8，将反应瓶置于超声处理仪中，超声处理仪包括主机，主机的底部安装有超声探头，主机的外侧设置有握持部，主机的外侧且位于握持部的下方设置有凸台，凸台的顶部通过铰接轴活动连接有支撑板，主机的外侧且位于凸台的下方活动套接有转环，转环的顶部固定连接有贯穿至支撑板底部的圆柱，支撑板的底部开设有与圆柱对应的弧形槽，凸台的内部开设有与圆柱对应的滑动槽，在50℃下进行超声分散40min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金组分2，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至55℃，匀速搅拌反应6h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应6h，取出钛合金使用蒸馏水洗涤并干燥，重复此过程4次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料2。
使用CA100A接触角测定仪测试实施例和对比例中的超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金材料的水接触角，测试标准为GB/T30693-2014。
综上所述，所得实施例1-4的钛合金材料表面的耐磨性、耐腐蚀性和超疏水性能明显优于对比例1-2，因此该一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，以乙二胺四乙酸二钠Na2SiO3-Na2HPO4-NaOH为电解液体系，加入强度高、腐蚀性优异、磨损性强的纳米ZrO2，采用分段电压法进行微弧氧化过程，在钛合金的表面形成ZrO2复合陶瓷涂层，而传统的一次性施加电压法，施加电压结束后，会在涂层出现形成电弧电压，由于高能量放电集中一个区域，会导致涂层厚度不均匀，而分段电压法会使高能量放电较为分散，使钛合金的表面形成涂层厚度均匀的ZrO2涂层，大幅改善了钛合金耐磨损性能。
通过分段电压法进行微弧氧化后的形成ZrO2复合陶瓷涂层，表面孔洞较多，涂层致密度不高，通过硬脂酸乙醇和硅烷偶联剂十三氟辛基三甲氧基硅烷修饰纳米SiO2，纳米SiO2填充进涂层表面的孔洞中，增强了涂层致密性，提高了涂层的强度和耐腐蚀性，并且纳米SiO2中接枝的硬脂酸乙醇的长烷基链段，以及十三氟辛基三甲氧基硅烷的全氟烷基链段，具有优异的疏水性能，并且长支链结构增大了ZrO2复合陶瓷涂层的粗糙程度，形成微纳米粗糙结构，增大了与水的接触角和润湿角，赋予了钛合金表面ZrO2涂层的超疏水性能，拓宽了钛合金的实用性和适用范围。

Claims (5)

1.一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，其特征在于，包括以下配方原料：钛合金、纳米ZrO2、纳米SiO2、硬脂酸、硅烷偶联剂；所述超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金制备方法包括以下步骤：
(1)向蒸馏水中加入乙二胺四乙酸二钠、Na2SiO3、Na2HPO4、NaOH和纳米ZrO2，匀速搅拌溶解配置成电解液，采用钛合金Ti-6Al-4V为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，电源为脉冲电源，频率为600-1000Hz，占空比为15-20％，采用分段电压法进行微弧氧化过程，将正向电压从0V升至330V，进行微弧氧化2-3min，再将正向电压升至380V，进行微弧氧化2-3min，最后将正向电压升至400V，进行微弧氧化7-9min，将微弧氧化处理的钛合金Ti-6Al-4V取出，使用蒸馏水洗涤并干燥，制备得到ZrO2层微弧氧化钛合金；所述电解液中乙二胺四乙酸二钠浓度为1.8-2.2g/L，Na2SiO3浓度为12-14g/L，Na2HPO4浓度为7-9g/L，纳米ZrO2浓度为4-5g/L；
(2)向体积比为1:2.5-3.5的无水乙醇和蒸馏水混合溶剂中，加入硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷和硬脂酸，匀速搅拌1-2h，再加入纳米SiO2，将溶液在40-50℃下超声处理仪中进行超声分散40-60min，再加入ZrO2层微弧氧化钛合金；
(3)将溶液加热至45-55℃，匀速搅拌反应3-5h，取出钛合金洗涤并干燥，再放入溶液中匀速搅拌反应3-5h，取出钛合金洗涤并干燥，重复此过程6-10次，最后取出钛合金使用蒸馏水洗涤，并充分干燥，制备得到超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，其特征在于：所述钛合金为Ti-6Al-4V合金圆形薄片，规格为厚度2-4mm，直径为20-30nm。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，其特征在于：所述纳米ZrO2平均粒径为60nm，纳米SiO2平均粒径为15mn。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，其特征在于：所述超声处理仪包括主机(1)，所述主机(1)的底部安装有超声探头(2)，主机(1)的外侧设置有握持部(3)，主机(1)的外侧且位于握持部(3)的下方设置有凸台(4)，凸台(4)的顶部通过铰接轴(5)活动连接有支撑板(6)，主机(1)的外侧且位于凸台(4)的下方活动套接有转环(7)，转环(7)的顶部固定连接有贯穿至支撑板(6)底部的圆柱(8)，支撑板(6)的底部开设有与圆柱(8)对应的弧形槽(9)，凸台(4)的内部开设有与圆柱(8)对应的滑动槽(10)。
5.根据权利要求1所述的一种超疏水型微弧氧化耐磨涂层的钛合金，其特征在于：所述反应溶液中纳米SiO2的浓度为7-9g/L，十三氟辛基三甲氧基硅烷、硬脂酸和纳米SiO2的物质的量摩尔比为1:6-8:10-13。
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