[发明专利]一种钛合金表面固态原位复合减摩抗磨材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金构件表面固态原位复合减摩抗磨材料，特别是涉及一种在严酷滑动工况下服役的钛合金构件表面固态原位复合减摩抗磨材料。

背景技术

钛合金具有较高的比强度、优异的耐蚀性能而广泛应用于医疗、航空、海洋等工业领域。但钛合金具有极差的摩擦磨损性能，在干滑动条件下金属-金属的直接接触容易造成钛合金构件表面严重磨损而失效。在钛合金构件表面涂抹润滑油、脂等介质是一种廉价、快捷、有效的处理方式，目前润滑油、润滑脂中的有效润滑物质一般为有机油、脂和层状结构的固体润滑剂(称为极压抗磨剂，如二硫化钼、石墨等)，如以下专利：CN 103740436 A(一种纳米石墨润滑油)，CN 104531306 A(减磨剂及其制备方法)，CN 104651013 A(一种纳米减磨添加剂的制作配方)等。

然而在高温、高速和高载的滑动过程中，由于高温或摩擦热，大量的有机油、脂极易摩擦燃烧，钛合金构件由油润滑摩擦变为干滑动摩擦；尽管此时润滑介质中的极压抗磨剂(如MoS₂)可以在构件表面形成一层极压反应膜可以起到一定润滑作用，但并不能长期承受严重载荷。因此，现有的润滑油、脂并不能满足钛合金构件长期在高温、高速和高载等严酷工况条件下的减摩抗磨要求，而通过含抗磨剂和减摩剂的纳米混合粉料直接填充到钛合金构件滑动接触表面而直接形成原位复合减摩抗磨材料，方法简便，成本低廉，减摩抗磨效果显著。

发明内容

本发明针对钛合金构件较差的摩擦磨损性能和润滑介质不能长期承受高温、高速和高载等严酷工况等问题，提出的一种钛合金滑动构件表面固态原位复合减摩抗磨材料。

本发明针对上述问题采用的技术方案为：一种用于钛合金构件表面的固态原位复合减摩抗磨材料，其特征在于包含下列质量分数的两种物质：60-90％的抗磨剂和10-40％的减摩剂，其中抗磨剂为10-80nm的氧化铝、氧化铁和氧化钛颗粒中的一种或几种，减摩剂为50-500nm石墨、二硫化钼和二硫化钨中的一种或多种颗粒；当减摩剂或抗磨剂由多种组分构成时，每组分可按任意质量比例混合。

将抗磨剂和减磨剂混合并用行星式球磨机混合均匀，由于具有层状结构的石墨、二硫化钼、二硫化钨等在压力作用下极易形成压实层吸附在金属表面，因而只需均匀填充到钛合金滑动构件接触表面并压实即可形成所需的减摩抗磨材料层。

所述复合减摩抗磨材料的填充量按照滑动表面的1-2mg/mm²的添加量加入到复合减摩抗磨材料摩擦界面。

50-500nm的减摩剂(如石墨、二硫化钼等)为六方晶系，具有层状结构，层间键能较低，容易被剪切发生滑移，且极易吸附金属表面，摩擦过程中表现出极低的摩擦系数(0.03-0.06)；而10-80nm的氧化物(Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂等)具有较强的承载能力；本发明中将抗磨剂氧化物和减摩剂混合后，较大颗粒的减摩剂包裹具有承载能力的氧化物，在滑动过程中极易吸附在钛合金表面形成固态摩擦层，这种原位形成的机械混合摩擦层材料具备足够的承载能力，且降低摩擦系数和摩擦噪声。

采用MPX-2000型摩擦磨损试验机模拟严酷工况条件对本发明在TC4合金(固溶态)干滑动摩擦磨损中的实际应用效果进行测试，并对比了无添加情况下TC4合金的磨损率；将TC4切割成Φ5×22的销试样，对磨盘材料选用轴承钢GCr15，硬度为50HRC；滑动距离为850、1700、2500、3400m，载荷为50、100、150、200N；滑动开始前，在钛合金滑动界面，按滑动接触面积至少添加1-2mg/mm²的减摩剂+抗磨剂。

测试结果如附图1-3所示。显然，在无原位复合减摩抗磨材料下，钛合金磨损率随载荷和滑动距离的增加而急剧增加，属于严重磨损；当在形成原位复合减摩抗磨材料下TC4合金磨损率急剧下降且几乎不随载荷和滑动距离增加而波动，本发明添加到钛合金表面后在压力作用下形成混合的固态颗粒层吸附在金属表面，防止金属-金属直接接触，且具有较强的承载能力，有效地降低磨损，可长期应用于严酷滑动工况下，本发明在实验过程中摩擦噪声微乎其微，可以用于精密钛合金构件的表面。

附图说明

图1有、无原位复合减摩抗磨材料下TC4合金随载荷变化的磨损率对比示意图。

图2有、无原位复合减摩抗磨材料下TC4合金随滑动距离变化的对比示意图。