[发明专利]一种自润滑锆基非晶合金及其制备方法和应用

说明书

本发明采用超声微弧氧化的方式可以在锆基非晶合金表面形成氧化锆和少量氧化铝相混合的陶瓷涂层，其中氧化锆的晶相为m‑ZrO₂和t‑ZrO₂，可使涂层具有高硬度的特性；超声微弧氧化后形成的涂层中存在裂纹和微孔，纳米石墨烯可进入微孔和裂纹中，达到减磨、润滑和自修复的作用，提高涂层的耐磨性；多巴胺自聚合形成含纳米石墨烯聚多巴胺膜，实现对涂层裂纹及孔隙的修复，提高涂层的自润滑性能，降低涂层的摩擦系数，提高锆基非晶合金的使用寿命。实施例的结果显示，自润滑锆基非晶合金的硬度≥800HV，磨损失重量≤0.02，极限载荷≥11N，摩擦系数≤0.5，抗摩擦磨损性能优异。

技术领域

本发明涉及合金陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种自润滑锆基非晶合金及其制备方法和应用。

背景技术

锆基非晶合金具有高强度(压缩屈服强度约为2GPa)、高硬度(HRC〉50)、高断裂韧性、低弹性模量(50-100GPa)、优异的耐腐蚀性、良好的抗疲劳性能以及良好的生物相容性等，是现有非晶合金体系中最具应用价值的高强度结构材料，在航天航空、汽车、精密制造、电子通讯与计算机、生物医学等领域将有更广泛的应用前景。因此，已成为当前材料学领域研究的热点与前沿，在作为新一代高性能的材料领域上吸引着越来越多国内外研究者的深入研究。

锆基非晶合金的种类很多，以锆为主，含有铝、钛、镍、铜等多种元素，如Zr68Nb4.5Cu12Ni11Al4Y0.5合金等，可制备成板材、棒材及加工成不同零部件等。但是由于锆基非晶合金的自润滑性能和耐摩擦磨损性能差，需要在合金表面制备自润滑ZrO₂陶瓷层来提高其自润滑性能，但研究中发现，形成ZrO₂陶瓷层主要是由单斜相M-ZrO₂和四方相T-ZrO₂构成，在发生相转变时，与马氏体转变相似，由于晶格常数不同，体积发生膨胀，产生组织应力，造成涂层裂纹大量产生及涂层剥离。因此，需要提供一种自润滑性能好且不易产生裂纹的锆基非晶合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自润滑锆基非晶合金及其制备方法和应用，本发明提供的自润滑锆基非晶合金的摩擦系数低，自润滑性能好，能够应用于轴类零件中，且不易磨损，使用寿命长。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种自润滑锆基非晶合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)以锆基非晶合金为阳极，以电解液槽体为阴极，对锆基非晶合金进行超声微弧氧化，得到微弧氧化锆基非晶合金；

所述超声微弧氧化用电解液的组成包括铝酸盐，硅酸盐/磷酸盐，硼酸盐，氢氧化钠，乙二胺四乙酸和水；

(2)将所述步骤(1)得到的微弧氧化锆基非晶合金浸入到多巴胺溶液中进行自聚合成膜，得到自润滑锆基非晶合金；

所述多巴胺溶液的组成包括多巴胺、纳米石墨烯、石墨烯分散剂和水。

优选地，所述步骤(1)中超声微弧氧化的正电压为300～550V，负电压为0～150V，脉冲频率为200～600Hz，脉冲宽度为35～100μm，所述微弧氧化的时间为10～40min。

优选地，所述步骤(1)中超声微弧氧化的超声功率为60～120W。

优选地，所述步骤(1)中电解液的组成包括铝酸盐20～50g/L，氢氧化钠2～10g/L，乙二胺四乙酸1～3g/L和余量的水。

优选地，所述步骤(1)的电解液中还包括纳米氧化石墨烯，所述纳米氧化石墨烯的浓度为0.1～1g/L。

优选地，所述步骤(2)多巴胺溶液中多巴胺的浓度为1～5g/L，纳米石墨烯的浓度为0.1～2g/L。

优选地，所述步骤(2)中多巴胺溶液的pH值为8～8.5。