CN115029662B - 一种高温耐磨自润滑复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract
本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种高温耐磨自润滑复合涂层及其制备方法，其包括基体膜层及喷涂在其表面的耐磨涂层，基体膜层由下至上分别为Ti打底层、Ti2AlN过渡层及通过双靶磁控溅射依次交替溅射沉积的TiB2/Ti2AlN功能层；其中，Ti打底层厚度为200nm，Ti2AlN过渡层厚度为500～1000nm，TiB2/Ti2AlN功能层中的单层TiB2厚度为30～50nm，Ti2AlN单层厚度为20～40nm，基体膜层总厚度为2～5μm；本发明中所制备的纳米多层涂层不仅具有高温热稳定性同时兼具高温自润滑性能，解决了现行PVD硬质涂层刀具高速切削航空钛合金材料易粘结和易磨损问题，具有更广阔的市场前景，更适宜推广。
Description
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种高温耐磨自润滑复合涂层及其制备方法。
背景技术
随着我国航空航天、核电、重型装备、军工、汽车、微电子等制造行业高速发展，对高强度钢、高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料的使用量急剧增加；同时对加工效率的不断追求和加工过程的绿色环保的要求也越来越高，因此，对刀具切削性能不断提出更高要求。采用高温强度高、韧性好的硬质合金和高速钢刀具作为基体，在其上沉积一层或多层耐高温、耐磨损的涂层材料，可以大大提高刀具加工效率和使用寿命。硼化钛涂层(TiB2)具有许多优良性能，如熔点高、硬度高、化学稳定性好、抗腐蚀性能好，可广泛应用在耐磨件、耐腐蚀件以及其它特殊要求的零件上。此外，其具有优良的导电性和对铝元素有很低的扩散速率，不仅可以用来作为涂层刀具切削钛合金，尤其像TiAl6V4这样的航空高温钛合金材料，更可以用在压铸铝模的模具钢上。然而传统的物理气相沉积技术(PVD)制备的TiB2涂层存在高残余应力、膜基结合弱易脱落、抗冲击韧性不足、受载荷易失效、摩擦系数偏大、热稳定性不足等问题，使其不满足现代高速切削加工需求并限制了其在涂层刀具上的应用。
MAX相层状化合物与硼化钛同属于六方晶系结构，这类化合物兼具金属和陶瓷的性能，特别是层状结构中存的类似于石墨层间的VanderWaals力弱键结合，使该相具有自润性。而且由于两层中的结合强度比较弱小，特别容易出现层间剪切滑移，这样裂纹扩展路径发生偏转，样品的韧性也随之提高。其中，Ti2AlN作为一种典型的MAX相化合物材料，可作为高温防护涂层，已用PVD沉积技术成功制备出来。高温情况下，纳米层状结构的Ti2AlNMAX相中的活泼铝原子层易扩散到涂层表面行成致密的氧化铝保护层,可有效阻挡外界氧向涂层内部和基体扩散，同时也能阻止或减缓涂层内氧元素的扩散，从而增强涂层的抗氧化能力和热稳定性。Ti2AlN层状结构的自润滑属性也可近一步提升涂层的耐磨性能。如何融合这同一晶系结构的不同类型TiB2和Ti2AlN涂层，通过科学的结构设计，获得具备综合性能优异(如高硬度和韧性、高热稳定性、摩擦性能稳定等)的可用于切削航空钛合金等难加工材料的新型刀具涂层是一个重要科学问题！
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温耐磨自润滑复合涂层，该涂层不仅具有高温热稳定性同时兼具高温自润滑性能，解决了现行PVD硬质涂层刀具高速切削航空钛合金材料易粘结和易磨损问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高温耐磨自润滑复合涂层，包括基体膜层及喷涂在其表面的耐磨涂层；基体膜层由下至上分别为Ti打底层、Ti2AlN过渡层及通过双靶磁控溅射依次交替溅射沉积的TiB2/Ti2AlN功能层；
其中，所述基体的材质为硬质合金、高速钢或模具钢中的任意一种；
Ti打底层厚度为200nm，Ti2AlN过渡层厚度为500～1000nm，TiB2/Ti2AlN功能层中的单层TiB2厚度为30～50nm，Ti2AlN单层厚度为20～40nm，基体膜层总厚度为2～5μm；且所述TiB2/Ti2AlN功能层中TiB2与Ti2AlN的总层数为40～80。
更进一步地，所述耐磨涂层所用涂料按重量份计，由以下原料组成：双酚A型环氧树脂80～100份、聚酰胺7～13份、三乙烯四胺5～8份、邻苯二甲酸二丁酯4～6份、叶腊石粉3～5份、铝粉4～7份、十二烷基缩水甘油醚5～12份、纳米二硫化钼2～5份、碳化硅粉末2～4份、耐磨助剂3～5份、球形氧化铝粉1.8～3.5份、碳化钛粉末2～4份、石英粉7～11份。
更进一步地，所述耐磨助剂的制备方法包括以下步骤：
步骤一、按0.08～0.12g/mL的固液比将多孔基体微粉均匀分散于60～75％的乙醇水溶液中，然后分别加入质量为乙醇水溶液10～15％、粒径为8～15nm的纳米氧化锆及2.5～4.2％的辛基苯酚聚氧乙烯醚；经超声分散20～30min后，再向其中加入质量为乙醇水溶20～30％的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，并在40～55℃的温度下保温反应5～8h，待反应完毕后，所得即为混合样液；
步骤二、将经前处理后的碳纤维按0.1～0.15g/mL的用量比浸渍在混合样液中，搅拌反应8～12h后依次对所得生成物组分进行过滤，洗涤及干燥处理；将所得初步改性的碳纤维浸渍于45～55℃、浓度为40～60wt％聚碳硅烷-甲苯溶液中50～80min，然后在150～180℃的温度下固化2～3h；待固化完毕后，将之于1280～1360℃的条件下裂解1～2h，最终再将之粉碎至合适粒径，所得即为耐磨助剂成品。
一种高温耐磨自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、将清洗后的工件装夹在工件转架上，开始抽真空，当真空度≤5×10-3Pa时，开始加热除气，其温度控制在400～500℃；
S2、通入电离处理后的Ar气，真空保持为0.6～0.9Pa，然后开启离子源和偏压电源，对工件进行辉光清洗；其中，偏压为-800～-1200V，离子源功率为1～3kW，辉光清洗时间为10～30min；
S3、辉光清洗结束后，关闭偏压和离子源，打开高功率溅射电源和恒功率单极脉冲电源并设置电源参数，分别预溅射自清洗Ti、TiB2和Ti2AlN靶材10～20min；待清洗结束后，打开偏压和离子源电源并设置电源和转架参数，调节工作气压为0.5～0.7Pa，进行沉积Ti金属Ti打底层；其中，自转转速为1～3rpm，公转转速为1～5rpm；
S4、维持S3步骤中偏压电源、离子源电源和转架参数值，打开Ti2AlN靶材的高功率电源，设置电源参数，并在工作气压为0.5～0.7Pa的条件下，沉积Ti2AlN过渡层；其中，电源参数设置为2～5kW，占空比为3～8％；
S5、打开单极脉冲电源，维持S3步骤中偏压电源、离子源电源参数，设置TiB2和Ti2AlN两靶材的电源参数；其中，工作气压为0.5～0.7Pa，通过改变转架参数，实现TiB2/Ti2AlN涂层多层沉积；沉积结束后，关闭电源和气体，待真空腔体温度降至室温，向真空室充气，打开腔室，取出工件并在其表面喷涂耐磨涂层即可。
更进一步地，所述步骤S1中所述清洗方法为：将经抛光处理后的工件送入超声波清洗槽中，依次用丙酮、无水乙醇分别清洗10～20min，再用干燥的空气吹干。
更进一步地，在制备高温耐磨自润滑纳米多层涂层的过程中，所用Ar气均先进行电离处理；具体的电离处理工序为：将所需Ar气通过离子源电离处理后进入腔室溅射靶材，以此提高离化率。
更进一步地，步骤S3中两台高功率磁控电源分别连接Ti和Ti2AlN靶，其电源设置参数分别为：Ti-HiPIMS电源功率1～3kW，占空比为3～8％；Ti2AlN-HiPIMS电源功率3～6kW，占空比为3～8％；TiB2靶材的单极脉冲电源功率为3～5kW，占空比为50～80％；偏压电源设置为-100V，离子源电源功率为1～5kW。
更进一步地，所述多孔基体微粉的制备方法包括以下步骤：
Ⅰ、向球磨设备中投入碳化硅陶瓷微粉，然后依次向设备中投入质量为碳化硅陶瓷微粉30～70％、氧化硅含量为25～35％的碱性硅溶胶及8～35％的碱式碳酸镁所得混合物料经球磨20～25h后，形成混合浆料；
Ⅱ、按0.01～0.015g/mL的用料比向将所得混合浆料中加入质量为碱式碳酸镁30～35％的烷基苯磺酸钠，以1300～1600r/min搅拌速率发泡至体积膨胀至混合浆料的3倍时，向其中滴加体积为混合浆料0.5～0.8％、浓度为8～15wt％的过硫酸铵水溶液，混合搅拌2～3min后将之注入玻璃模具中，静置9～12h使之凝结固化；待固化完毕后对其进行脱模处理，
Ⅲ、将脱模后所得胚体自然干燥8～12天，然后将用量为碳化硅陶瓷微粉75～85％、浓度为13～18％的酚醛的丙酮溶液渗入所得胚体中，待丙酮挥发完全后将所得胚体转入高温煅烧设备中，并在氩气气氛的保护下于2000～2200℃的温度下高温煅烧3～4h；待煅烧完毕后将之自然冷却，所得即为多孔基体微粉。
更进一步地，碳纤维的前处理工艺为：将碳纤维浸没在质量为其8～12倍的丙酮中，加热回流16～20h，然后将之于65～75℃的条件下干燥10～15h；所得干燥后的碳纤维浸渍在质量为其7～10倍、温度为55～65℃的浓硝酸中2～3h；待浸泡完毕后，将碳纤维取出并用去离子水将碳纤维洗涤至中性，后于70～80℃的条件下干燥处理10～12h，即完成了碳纤维的前处理。
更进一步地，所述步骤S5中TiB2靶材的电源功率为3～5kW，占空比为50～80％；Ti2AlN电源功率为1～3kW，占空比为3～8％；转架参数设置为自转转速为2～4rpm，公转转速为1～5rpm。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
1、高度离化的强等离子体束是一步制备晶态Ti2AlNMAX相涂层的关键，本发明中采用离子源辅助技术，即Ar气由离子源电离进入腔体，并配合HiPIMS磁控溅射技术，在400～450℃的低温沉积温度下是成功制备出高质量晶态Ti2AlNMAX相涂层的关键。相比传统的二步法(后续退火)制备和CVD沉积技术，离子源辅助HiPIMS技术，能快速、低成本、制备，减少工件基体对沉积温度的依赖性、可实现大面积复杂工件表面均匀沉积。转架旋转速度快慢可决定每层TiB2和Ti2AlN层的厚度。这种由硼化物和MAX相组成的多层结构涂层，能兼顾硼化物和MAX相涂层各自优点。同时，由于大量界面的存在及抗高温氧化元素的存在，使得涂层的硬度、韧性和热稳定性均得到大幅度提高，MAX相特有的层状结构也使得涂层耐磨自润滑。
2、由于传统的磁控溅射溅射离子能量低，制备的MAX相化合物多为非晶态力学性能不足，需进一步高温退火处理获得晶态相。本发明采用高离化率的HiPIMS电源复合离子源辅助沉积技术直接在低温环境下(400～450℃)制备出晶态相的Ti2AlN涂层，相比传统的二步法(后续退火)制备程序简单更适用于工业生产；该涂层可采用PVD工艺工业化制备，特别是可改变目前该类涂层依赖复杂的制备工艺程序的现状，技术容易实现，成本低，具有很大的发展潜力。
3、本发明中先对混合浆料进行发泡膨胀处理，并在过硫酸铵水溶液的作用下将之凝结固化，再将酚醛的丙酮溶液渗入固化处理后所得的胚体中，经高温煅烧处理后，即得多孔基体微粉。所得多孔基体微粉超声分散在含有纳米氧化锆及辛基苯酚聚氧乙烯醚的乙醇水溶液中，使得纳米氧化锆均匀分散在多孔基体微粉的表面及其孔隙结构中，后经3-氨基丙基三乙氧基硅烷与多孔基体微粉之间发生化学反应而实现对纳米氧化锆的“封堵与固定”。再将所得活化处理(即前处理)后的碳纤维浸渍在混合样液中使两者发生化学反应，再将之浸渍在聚碳硅烷-甲苯溶液中进行固化及高温裂解处理后，最终制备出表面接枝有碳纤维的多孔基体微粉。碳纤维的存在不仅进一步完成了对纳米氧化锆的“封堵与固定”，同时其与纳米氧化锆之间相互协同有效地保证了所制备的耐磨助剂的耐磨性能，也有效地改善了耐磨涂层的耐磨性能。
附图说明
图1为通过本发明所提供的技术方案制备出的纳米多层涂层的结构示意图。
1：基体；2：基体膜层、201：Ti打底层；202：Ti2AlN过渡层；203：TiB2/Ti2AlN功能层；3：耐磨涂层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高温耐磨自润滑复合涂层，包括基体膜层2及喷涂在其表面的耐磨涂层3；基体膜层2由下至上分别为Ti打底层201、Ti2AlN过渡层202及通过双靶磁控溅射依次交替溅射沉积的TiB2/Ti2AlN功能层203；
其中，基体1的材质为硬质合金；
Ti打底层201厚度为200nm，Ti2AlN过渡层202厚度为500nm，TiB2/Ti2AlN功能层203中的单层TiB2厚度为30nm，Ti2AlN单层厚度为20nm，基体膜层2总厚度约为2μm；且TiB2/Ti2AlN功能层203中TiB2与Ti2AlN的总层数为50。
耐磨涂层3所用涂料按重量份计，由以下原料组成：双酚A型环氧树脂80份、聚酰胺7份、三乙烯四胺5份、邻苯二甲酸二丁酯4份、叶腊石粉3份、铝粉4份、十二烷基缩水甘油醚5份、纳米二硫化钼2份、碳化硅粉末2份、耐磨助剂3份、球形氧化铝粉1.8份、碳化钛粉末2份、石英粉7份。
耐磨助剂的制备方法包括以下步骤：
步骤一、按0.08g/mL的固液比将多孔基体微粉均匀分散于60％的乙醇水溶液中，然后分别加入质量为乙醇水溶液10％、粒径为8nm的纳米氧化锆及2.5％的辛基苯酚聚氧乙烯醚；经超声分散20min后，再向其中加入质量为乙醇水溶20％的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，并在40℃的温度下保温反应5h，待反应完毕后，所得即为混合样液；
步骤二、将经前处理后的碳纤维按0.1g/mL的用量比浸渍在混合样液中，搅拌反应8h后依次对所得生成物组分进行过滤，洗涤及干燥处理；将所得初步改性的碳纤维浸渍于45℃、浓度为40wt％聚碳硅烷-甲苯溶液中50min，然后在150℃的温度下固化2h；待固化完毕后，将之于1280℃的条件下裂解1h，最终再将之粉碎至合适粒径，所得即为耐磨助剂成品。
一种高温耐磨自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、将清洗后的工件装夹在工件转架上，开始抽真空，当真空度为5×10-3Pa时，开始加热除气，其温度控制在400℃；
S2、Ar气经离子源送入真空室，保持气压为0.6Pa，然后开启离子源和偏压电源，对工件进行辉光清洗；其中，偏压为-800V，离子源功率为1kW，辉光清洗时间为10min；
S3、辉光清洗结束后，关闭偏压和离子源，打开高功率溅射电源和恒功率单极脉冲电源并设置电源参数，分别预溅射自清洗Ti、TiB2和Ti2AlN靶材10min；待清洗结束后，打开偏压和离子源电源并设置电源和转架参数，调节工作气压为0.5Pa，进行沉积Ti金属Ti打底层；其中，自转转速为1rpm，公转转速为1rpm；
S4、维持S3步骤中偏压电源、离子源电源和转架参数值，打开Ti2AlN靶材的高功率电源，设置电源参数，并在工作气压为0.5Pa的条件下，沉积Ti2AlN过渡层；其中，电源参数设置为2kW，占空比为3％；
S5、打开单极脉冲电源，维持S3步骤中偏压电源、离子源电源参数，设置TiB2和Ti2AlN两靶材的电源参数；其中，工作气压为0.5Pa，通过改变转架参数，实现TiB2/Ti2AlN涂层多层沉积；沉积结束后，关闭电源和气体，待真空腔体温度降至室温，向真空室充气，打开腔室，取出工件并在其表面喷涂耐磨涂层即可。
步骤S1中清洗方法为：将经抛光处理后的工件送入超声波清洗槽中，依次用丙酮、无水乙醇分别清洗10min，再用干燥的空气吹干。
在制备高温耐磨自润滑纳米多层涂层的过程中，所用Ar气均先进行电离处理；具体的电离处理工序为：将所需Ar气通过离子源电离处理后进入腔室溅射靶材，以此提高离化率。
步骤S3中两台高功率磁控电源分别连接Ti和Ti2AlN靶，其电源设置参数分别为：Ti-HiPIMS电源功率1kW，占空比为3％；Ti2AlN-HiPIMS电源功率3kW，占空比为3％；TiB2靶材的单极脉冲电源功率为3kW，占空比为50％；偏压电源设置为-100V，离子源电源功率为1kW。
多孔基体微粉的制备方法包括以下步骤：
Ⅰ、向球磨设备中投入碳化硅陶瓷微粉，然后依次向设备中投入质量为碳化硅陶瓷微粉30％、氧化硅含量为25％的碱性硅溶胶及8％的碱式碳酸镁所得混合物料经球磨20h后，形成混合浆料；
Ⅱ、按0.01g/mL的用料比向将所得混合浆料中加入质量为碱式碳酸镁30％的烷基苯磺酸钠，以1300r/min搅拌速率发泡至体积膨胀至混合浆料的3倍时，向其中滴加体积为混合浆料0.5％、浓度为8wt％的过硫酸铵水溶液，混合搅拌2min后将之注入玻璃模具中，静置9h使之凝结固化；待固化完毕后对其进行脱模处理，
Ⅲ、将脱模后所得胚体自然干燥8天，然后将用量为碳化硅陶瓷微粉75％、浓度为13％的酚醛的丙酮溶液渗入所得胚体中，待丙酮挥发完全后将所得胚体转入高温煅烧设备中，并在氩气气氛的保护下于2000℃的温度下高温煅烧3h；待煅烧完毕后将之自然冷却，所得即为多孔基体微粉。
碳纤维的前处理工艺为：将碳纤维浸没在质量为其8倍的丙酮中，加热回流16h，然后将之于65℃的条件下干燥10h；所得干燥后的碳纤维浸渍在质量为其7倍、温度为55℃的浓硝酸中2h；待浸泡完毕后，将碳纤维取出并用去离子水将碳纤维洗涤至中性，后于70℃的条件下干燥处理10h，即完成了碳纤维的前处理。
步骤S5中TiB2靶材的电源功率为3kW，占空比为50％；Ti2AlN电源功率为1kW，占空比为3％；转架参数设置为自转转速为2rpm，公转转速为5rpm。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，两者具体区别为：耐磨涂层3所用涂料的具体配比不尽相同，且基体膜层中各涂层的具体厚度不同，具体区别如下：
Ti打底层201厚度为200nm，Ti2AlN过渡层202厚度为800nm，TiB2/Ti2AlN功能层203中的单层TiB2厚度为40nm，Ti2AlN单层厚度为20nm，基体膜层2总厚度约为3μm；且TiB2/Ti2AlN功能层203中TiB2与Ti2AlN的总层数为60。
耐磨涂层3所用涂料按重量份计，由以下原料组成：双酚A型环氧树脂90份、聚酰胺10份、三乙烯四胺6份、邻苯二甲酸二丁酯5份、叶腊石粉4份、铝粉6份、十二烷基缩水甘油醚9份、纳米二硫化钼3份、碳化硅粉末3份、耐磨助剂4份、球形氧化铝粉2.5份、碳化钛粉末3份、石英粉9份。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，两者具体区别为：耐磨涂层3所用涂料的具体配比不尽相同，且基体膜层中各涂层的具体厚度不同，具体区别如下：
Ti打底层201厚度为200nm，Ti2AlN过渡层202厚度为1000nm，TiB2/Ti2AlN功能层203中的单层TiB2厚度为50nm，Ti2AlN单层厚度为30nm，基体膜2层总厚度约为4.5μm；且TiB2/Ti2AlN功能层203中TiB2与Ti2AlN的总层数为80。
耐磨涂层3所用涂料按重量份计，由以下原料组成：双酚A型环氧树脂100份、聚酰胺13份、三乙烯四胺8份、邻苯二甲酸二丁酯6份、叶腊石粉5份、铝粉7份、十二烷基缩水甘油醚12份、纳米二硫化钼5份、碳化硅粉末4份、耐磨助剂5份、球形氧化铝粉3.5份、碳化钛粉末4份、石英粉11份。
对比例1、本实施例与实施例1不同之处在于：用溅射沉积得到的TiB2功能层代替等厚度的TiB2/Ti2AlN功能层。
对比例2、本实施例与实施例1不同之处在于：用溅射沉积得到的Ti2AlN功能层代替等厚度的TiB2/Ti2AlN功能层。
对比例3：本实施例与实施例1不同之处在于：其不含耐磨涂层。
对比例4：本实施例与实施例1不同之处在于：其中耐磨涂层所用耐磨涂料中采用等量、等粒径的碳化硅陶瓷微粉代替耐磨助剂。
性能测试：分别对实施例1～3及对比例1～4所提供的纳米多层涂层进行性能测试，所得测试数据记录于下表：
通过对比及分析表格中的相关数据可以看出，本发明所制备的高温耐磨自润滑纳米多层涂层由于兼顾了硼化物、MAX相和表层耐磨层的优点，不仅具有热稳定性同时兼具高温自润滑性能，可有效解决现行PVD硬质涂层刀具高速切削航空钛合金材料易粘结和易磨损问题。由此表明，本发明制备的高温耐磨自润滑纳米多层涂层具有更广阔的市场前景，更适宜推广。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (7)
1.一种高温耐磨自润滑复合涂层，包括基体膜层及喷涂在其表面的耐磨涂层，其特征在于：所述基体膜层由下至上分别为Ti打底层、Ti2AlN过渡层及通过双靶磁控溅射依次交替溅射沉积的TiB2/Ti2AlN功能层；
其中，所述基体的材质为硬质合金、高速钢或模具钢中的任意一种；
Ti打底层厚度为200nm，Ti2AlN过渡层厚度为500～1000nm，TiB2/Ti2AlN功能层中的单层TiB2厚度为30～50nm，Ti2AlN单层厚度为20～40nm，基体膜层总厚度为2～5μm；且所述TiB2/Ti2AlN功能层中TiB2与Ti2AlN的总层数为40～80；
所述Ti打底层的沉积工艺为先通入电离处理后的Ar气, 然后开启离子源和偏压电源，对工件进行辉光清洗; 辉光清洗结束后，关闭偏压和离子源，打开高功率溅射电源和恒功率单极脉冲电源并设置电源参数，分别预溅射自清洗Ti、TiB2和Ti2AlN靶材10～20min；待清洗结束后，打开偏压和离子源电源并设置电源和转架参数，调节工作气压为0.5～0.7Pa，进行沉积Ti金属Ti打底层;
所述Ti2AlN过渡层的沉积工艺为设定偏压电源、离子源电源和转架参数值，打开Ti2AlN靶材的高功率电源，设置电源参数，并在工作气压为0.5～0.7Pa的条件下，沉积Ti2AlN过渡层；
所述TiB2/Ti2AlN功能层的沉积工艺为打开单极脉冲电源，设定偏压电源、离子源电源参数，设置TiB2和Ti2AlN两靶材的电源参数；其中，工作气压为0.5～0.7Pa，通过改变转架参数，实现TiB2/Ti2AlN涂层多层沉积；
所述耐磨涂层所用涂料按重量份计，由以下原料组成：双酚A型环氧树脂80～100份、聚酰胺7～13份、三乙烯四胺5～8份、邻苯二甲酸二丁酯4～6份、叶腊石粉3～5份、铝粉4～7份、十二烷基缩水甘油醚5～12份、纳米二硫化钼2～5份、碳化硅粉末2～4份、耐磨助剂3～5份、球形氧化铝粉1.8～3.5份、碳化钛粉末2～4份、石英粉7～11份；
所述耐磨助剂的制备工艺包括以下步骤：
步骤一、按0.08～0.12g/mL的固液比将多孔基体微粉均匀分散于60～75%的乙醇水溶液中，然后分别加入质量为乙醇水溶液10～15%、粒径为8～15nm的纳米氧化锆及2.5～4.2%的辛基苯酚聚氧乙烯醚；经超声分散20～30min后，再向其中加入质量为乙醇水溶20～30%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，并在40～55℃的温度下保温反应5～8h，待反应完毕后，所得即为混合样液；
步骤二、将经前处理后的碳纤维按0.1～0.15g/mL的用量比浸渍在混合样液中，搅拌反应8～12h后依次对所得生成物组分进行过滤，洗涤及干燥处理；将所得初步改性的碳纤维浸渍于45～55℃、浓度为40～60wt%聚碳硅烷-甲苯溶液中50～80min，然后在150～180℃的温度下固化2～3h；待固化完毕后，将之于1280～1360℃的条件下裂解1～2h，最终再将之粉碎至合适粒径，所得即为耐磨助剂成品；
所述多孔基体微粉的制备方法包括以下步骤：
Ⅰ、向球磨设备中投入碳化硅陶瓷微粉，然后依次向设备中投入质量为碳化硅陶瓷微粉30～70%、氧化硅含量为25～35%的碱性硅溶胶及8～35%的碱式碳酸镁所得混合物料经球磨20～25h后，形成混合浆料；
Ⅱ、按0.01～0.015g/mL的用料比向所得混合浆料中加入烷基苯磺酸钠，以1300～1600r/min搅拌速率发泡至体积膨胀至混合浆料的3倍时，向其中滴加体积为混合浆料0.5～0.8%的过硫酸铵水溶液，混合搅拌2～3min后将之注入玻璃模具中，静置9～12h使之凝结固化；待固化完毕后对其进行脱模处理，其中，烷基苯磺酸钠的加入量为碱式碳酸镁质量的30～35%；过硫酸铵水溶液的浓度为8～15wt%；
Ⅲ、将脱模后所得胚体自然干燥8～12天，然后将用量为碳化硅陶瓷微粉质量75～85%、浓度为含13～18wt%的酚醛的丙酮溶液渗入所得胚体中，待丙酮挥发完全后将所得胚体转入高温煅烧设备中，并在氩气气氛的保护下于2000～2200℃的温度下高温煅烧3～4h；待煅烧完毕后将之自然冷却，所得即为多孔基体微粉。
2.根据权利要求1所述的一种高温耐磨自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将清洗后的工件装夹在工件转架上，开始抽真空，当真空度≤5×10-3Pa时，开始加热除气，其温度控制在400～500℃；
S2、通入电离处理后的Ar气，真空保持为0.6～0.9Pa，然后开启离子源和偏压电源，对工件进行辉光清洗；其中，偏压为-800～-1200V，离子源功率为1～3kW，辉光清洗时间为10～30min；
S3、辉光清洗结束后，关闭偏压和离子源，打开高功率溅射电源和恒功率单极脉冲电源并设置电源参数，分别预溅射自清洗Ti、TiB2和Ti2AlN靶材10～20min；待清洗结束后，打开偏压和离子源电源并设置电源和转架参数，调节工作气压为0.5～0.7Pa，进行沉积Ti金属Ti打底层；其中，自转转速为1～3rpm，公转转速为1～5rpm；
S4、维持S3步骤中偏压电源、离子源电源和转架参数值，打开Ti2AlN靶材的高功率电源，设置电源参数，并在工作气压为0.5～0.7Pa的条件下，沉积Ti2AlN过渡层；其中，电源参数设置为2～5kW，占空比为3～8%；
S5、打开单极脉冲电源，维持S3步骤中偏压电源、离子源电源参数，设置TiB2和Ti2AlN两靶材的电源参数；其中，工作气压为0.5～0.7Pa，通过改变转架参数，实现TiB2/Ti2AlN涂层多层沉积；沉积结束后，关闭电源和气体，待真空腔体温度降至室温，向真空室充气，打开腔室，取出工件并在其表面喷涂耐磨涂层即可。
3.根据权利要求2所述的一种高温耐磨自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述清洗方法为：将经抛光处理后的工件送入超声波清洗槽中，依次用丙酮、无水乙醇分别清洗10～20min，再用干燥的空气吹干。
4.根据权利要求2所述的一种高温耐磨自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于：在制备高温耐磨自润滑纳米多层涂层的过程中，所用Ar气均先进行电离处理；具体的电离处理工序为：将所需Ar气通过离子源电离处理后进入腔室溅射靶材，以此提高离化率。
5.根据权利要求2所述的一种高温耐磨自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤S3中两台高功率磁控电源分别连接Ti和Ti2AlN靶，其电源设置参数分别为：Ti-HiPIMS电源功率1～3kW，占空比为3～8%；Ti2AlN-HiPIMS电源功率3～6kW，占空比为3～8%；TiB2靶材的单极脉冲电源功率为3～5kW，占空比为50～80%；偏压电源设置为-100V，离子源电源功率为1～5kW。
6.根据权利要求2所述的一种高温耐磨自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，碳纤维的前处理工艺为：将碳纤维浸没在质量为其8～12倍的丙酮中，加热回流16～20h，然后将之于65～75℃的条件下干燥10～15h；所得干燥后的碳纤维浸渍在质量为其7～10倍、温度为55～65℃的浓硝酸中2～3h；待浸泡完毕后，将碳纤维取出并用去离子水将碳纤维洗涤至中性，后于70～80℃的条件下干燥处理10～12h，即完成了碳纤维的前处理。
7.根据权利要求2所述的一种高温耐磨自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中TiB2靶材的电源功率为3～5kW，占空比为50～80%；Ti2AlN电源功率为1～3kW，占空比为3～8%；转架参数设置为自转转速为2～4rpm，公转转速为1～5rpm。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101214744A (zh) * | 2007-12-28 | 2008-07-09 | 天津师范大学 | 射频磁控溅射法制备超硬TiB2/TiAlN纳米多层膜 |
| CN102011090A (zh) * | 2010-12-09 | 2011-04-13 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层及其制备方法 |
| CN104402446A (zh) * | 2014-10-31 | 2015-03-11 | 中航复合材料有限责任公司 | 一种制备多孔碳化硅陶瓷的方法 |
| CN106752918A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-05-31 | 苏州劲元油压机械有限公司 | 一种用于液压缸的耐磨涂层及其制备方法 |
| CN107190243A (zh) * | 2017-05-15 | 2017-09-22 | 广东工业大学 | 一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用 |
| CN113667932A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-11-19 | 重庆大学 | 一种镁合金防护涂层及其制备方法 |
| CN114086117A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-25 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种抗固体颗粒冲蚀的防护涂层及其制备方法 |
| CN114592166A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-06-07 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 含梯度复合结构的硬质涂层刀具及其制备方法 |
-
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101214744A (zh) * | 2007-12-28 | 2008-07-09 | 天津师范大学 | 射频磁控溅射法制备超硬TiB2/TiAlN纳米多层膜 |
| CN102011090A (zh) * | 2010-12-09 | 2011-04-13 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层及其制备方法 |
| CN104402446A (zh) * | 2014-10-31 | 2015-03-11 | 中航复合材料有限责任公司 | 一种制备多孔碳化硅陶瓷的方法 |
| CN106752918A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-05-31 | 苏州劲元油压机械有限公司 | 一种用于液压缸的耐磨涂层及其制备方法 |
| CN107190243A (zh) * | 2017-05-15 | 2017-09-22 | 广东工业大学 | 一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用 |
| CN113667932A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-11-19 | 重庆大学 | 一种镁合金防护涂层及其制备方法 |
| CN114086117A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-25 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种抗固体颗粒冲蚀的防护涂层及其制备方法 |
| CN114592166A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-06-07 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 含梯度复合结构的硬质涂层刀具及其制备方法 |
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