[发明专利]一种钛合金表面高硬度耐磨抗氧化复合梯度陶瓷涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钛合金表面高硬度耐磨抗氧化复合梯度陶瓷涂层及其制备方法。耐磨抗氧化复合梯度陶瓷涂层以高韧性的TC₄钛合金作为基体材料，Al₂O₃陶瓷层作为过渡层，SiO₂作为封孔颗粒和陶瓷外层。该方法包括：前处理，微弧氧化，溶胶凝胶法。本发明通过微弧氧化能制备高硬度的耐磨涂层，再通过溶胶凝胶法封孔处理，所制备的涂层结合力好，结构致密，多组分的陶瓷、TiO₂、Al₂O₃和SiO₂，克服了单一组分或者双组分的局限性，提高了涂层的抗磨损和抗氧化性能。

技术领域

本发明属于钛合金微弧氧化表面处理技术领域，涉及钛合金表面改性处理，具体涉及一种钛合金表面高硬度耐磨抗氧化复合梯度陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

钛合金由于其密度小，比强度高，耐腐蚀性好，目前在航空航天和汽车船舶领域发挥着重要作用。然而钛合金硬度低，耐磨性差，在高温环境下易氧化的缺点，限制了钛合金的广泛应用。钛合金表面涂覆处理是可行办法。传统涂覆处理的方法有等离子喷涂、阳极氧化、化学转化和磁控溅射等，这些涂覆方法能在一定程度上提高钛合金表面的硬度来改善耐磨性，但是无法综合性的既提高钛合金的硬度耐磨性，又提高其抗高温氧化性。

微弧氧化技术是近年来应用广泛的钛合金表面处理技术，操作简单，效率高，涂层与基体的集合性能好。通过优化的微弧氧化工艺，可以在钛合金表面制备得到高硬度的耐磨陶瓷涂层，但是在工艺方面有其自由缺陷。微弧氧化陶瓷膜不可避免的是多孔结构，放电微孔通道从涂层一直延续到基体表面，这使得微弧氧化膜的抗高温性能难以满足复杂环境。所以对氧化膜的空隙进行密封处理相当重要。

溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。该工艺设备简单，成本低廉，过程易控制，能在微弧氧化氧化膜的空隙中形成纳米颗粒，进而改善微弧氧化膜的缺陷，应用前景广泛。

当前钛合金表面微弧氧化膜的研究和制备存在以下问题：(1)钛合金表面涂层耐磨性能差，磨损率高。(2)涂层的抗氧化能力弱，难以满足高温严苛的使用环境。

发明内容

本发明针对钛合金表面硬低和高温抗氧化能力差的问题，一种钛合金表面高硬度耐磨抗氧化复合梯度陶瓷涂层及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种钛合金表面高硬度耐磨抗氧化复合陶瓷涂层及其制备方法，

复合梯度陶瓷涂层包括，TC₄钛合金作为基体材料，Al₂O₃作为陶瓷过渡层，SiO₂作为封孔颗粒和外层。所述的制备方法包括，前处理，微弧氧化，溶胶凝胶法。

具体步骤如下：

步骤1，前处理：将钛合金片材打磨，超声清洗，干燥；

步骤2，微弧氧化：在铝酸钠-磷酸钠电解液体系中，对步骤1得到的钛合金片材进行微弧氧化处理，铝酸钠质量浓度为15g/L，磷酸钠质量浓度为1.6g/L，电解液PH为12；

步骤3，配置SiO₂溶胶，原料采用正硅酸乙酯、盐酸、聚乙烯醇和无水乙醇，配置SiO₂溶胶；先将正硅酸乙酯与无水乙醇按摩尔比混合，并在搅拌状态下缓慢加入适量去离子水，然后滴加适量盐酸，继续搅拌至溶液黏度增大。