[发明专利]石墨烯-铬钛铝复合材料的制备方法及其在刀具上的应用

说明书

石墨烯‑铬钛铝复合材料的制备方法及其在刀具上的应用，通过激光束辐射，使其与刀具表层材料一起熔化接着迅速凝固，获得稀释率小、与刀具材料相容性较好的表面涂层，该表面涂层实际上是一种高致密结合的石墨烯复合熔敷层，使刀具基体材料与涂层材料有机地结合在一起。从而，刀具的抗磨、抗蚀、耐氧化等综合性能得到明显提高，实现刀具表面修复或改良等目的。主要制备条件为：石墨烯纳米粉占复合材料总质量的百分比为5~15%，Ti粉末占复合材料总质量的百分比为20~25%，Al粉末占复合材料总质量的百分比为20~25%，Cr粉末占复合材料总质量的百分比为35~55%。

技术领域

本发明涉及复合涂层材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-铬钛铝复合材料的制备方法及其在刀具上的应用。

背景技术

刀具涂层技术自问世以来，对刀具性能的改善及加工技术的进步起着十分重要的作用，在刀具中涂层刀具所占的比例已超过50%。根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，典型的“硬”涂层物质有TiC、TiN、TiCN、A1₂O₃和TiAIN等；“软”涂层刀具追求的主要目标是低摩擦系数，也称为固体润滑涂层刀具，属于自润滑刀具的一种，如MoS₂和WS₂涂层刀具等。

“硬”涂层刀具主要由化学气相沉积法(CVD)与物理气相沉积法(PVD)，这两种方式制备。CVD法的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性、可燃性及毒性，因此对设备、环境和操作人员都不利，并不符合绿色制造的发展方向。PVD工艺虽然优点很多，但目前仍然存在一定的问题。比如，PVD工艺处理温度较低，因此涂层与刀具基体、涂层与涂层之间的界面结合强度较低，一方面使涂层厚度受到了限制，同时使涂层在切削负荷的作用下很快因开裂和剥落而失效。同时，涂层与刀具基体的性能差异较大，涂层内易形成较大的残余应力，导致刀具在切削（尤其是断续切削）负荷的作用下，易产生微裂纹。“硬”涂层刀具本身的一些缺陷也限制了其使用范围。

“软”涂层刀具目前主要还是以MoS₂为代表性涂层，中国专利(专利号ZL200610068975.3)报道了“自润滑复合软涂层刀具及其制各方法”，它是采用中频磁控+多弧法镀膜方法制备的MoS₂/Zr/Ti复合涂层刀具，刀具表面为MoS₂ 层，MoS₂ 层与刀具基体之间具有Ti、MoS₂/Zr/Ti和MoS₂/Zr 过渡层。该刀具在无切削液冷却、润滑的切削过程中，能够在刀具表面能形成具有润滑作用的润滑膜，从而实现刀具自身的润滑功能，但是这种润滑涂层硬度较低而导致刀具涂层尤其是后刀面涂层的耐磨性较差。

目前有在TiN涂层中添加Cr、Al等元素形成多组元的多元涂层，如TiCrN、TiAlN涂层，显微硬度达到HV3000，具有比TiN、TiCN涂层更高的抗机械磨损、抗磨料磨损性能，且涂层的应用温度也提高到800°C以上。虽然TiCrN、TiAlN涂层有效地提高了刀具的抗机械磨损性能，仍不能满足现代高速加工对刀具更好性能的要求。近来添加有的纳米结构的复合涂层具有低摩擦、高硬度和高温抗氧化性等特点成为刀具涂层发展的方向之一。也就是说，多元纳米复合涂层可以进一步提高刀具的硬度和韧性。

石墨烯（Graphene）是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维碳原子晶体，石墨烯的比表面积（2630m²/g）很大，拉伸模量（1.01TPa）和极限强度（116GPa）与单壁纳米管相当。与昂贵的富勒烯和碳纳米管相比，石墨烯价格低廉，原料易得。石墨烯作为一种新型的高性能材料，因其优异的强度、硬度和模量，有望在众多领域得到广泛应用。