阅读说明：本技术 一种用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料 (Nano mixed material with continuous friction reduction and wear resistance functions for titanium alloy surface ) 是由 周银 周顺情 陈博文 王树奇 郭沁涵 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料,所述的纳米混合材料是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的润滑剂为原料混合制成。本发明的纳米混合材料具有如下技术效果：1)用于钛合金表面时,能够同时抗磨和减摩,可以彻底改善钛合金在严酷工况条件(如高载荷)下摩擦磨损性能。2)与中国专利CN201611018013.7相比,具有持续发挥减摩抗磨的功能。(The invention provides a nano mixed material with continuous antifriction and antiwear functions for a titanium alloy surface, which is prepared by mixing nano oxide particles serving as an antiwear component and a lubricant serving as an antifriction component. The nano mixed material of the invention has the following technical effects: 1) when the titanium alloy is used on the surface of the titanium alloy, the titanium alloy can resist wear and reduce friction at the same time, and the friction and wear performance of the titanium alloy under severe working conditions (such as high load) can be thoroughly improved. 2) Compared with the Chinese patent CN201611018013.7, the anti-friction and anti-wear rubber has the function of continuously playing the anti-friction and anti-wear functions.)

一种用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料

技术领域

本发明涉及一种用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料，属于材料技术领域。

背景技术

钛合金的应用始于20世纪50年代，由于其一系列的优异性能而发展迅速，被广泛应用于航空航天、航海、汽车、能源、化工、生物医用等各个领域。然而，钛合金差的耐磨性和摩擦润滑性却限制了其在涉及到摩擦磨损领域中的工程应用。

表面处理一直被认为是改善钛合金摩擦磨损性能的有效途径，但它的高成本、复杂工艺以及高载、高速等严酷工况往往会因应力或热应力导致裂纹和剥落而失效等，一直受到诟病。基于此，有关钛合金表面处理的研究逐渐转变为对其自身摩擦学性能的研究。钛合金磨损过程中形成的摩擦层具有金属性，当滑动条件导致的摩擦层不含氧化物或仅含微量氧化物时，不具保护作用，这是钛合金具有差的耐磨性的根本原因。

从摩擦层的角度，滑动条件的改变可能会导致摩擦层改变从而影响磨损性能。近年来，国内外的一些研究人员在对钛合金干滑动摩擦磨损性能进行进一步探索时有了新的认知，在高温高速等特殊条件下，钛合金表面形成含氧化物的摩擦层，其属陶瓷性质，具有保护作用，故钛合金的耐磨性得以改善。

然而，由滑动条件变化引发的陶瓷性为主摩擦层在发挥有效保护作用的同时也存在一些限定条件或负面影响，例如，须在特定条件下形成，而在常规条件下几乎不能形成；摩擦层的形成是建立在消耗摩擦副基体材料基础之上的，这将造成材料的磨耗；更重要的是摩擦层的陶瓷性质有效减少了磨损，但并不总是同时降低摩擦。

中国专利CN201611018013.7一种抗磨减摩材料，特别是一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料。材料包含抗磨剂33-83％，减摩剂17-67％。其中抗磨剂为三氧化二铁纳米颗粒，减摩剂为多层石墨烯。将两种纳米材料混合搅拌均匀后直接添加到钛合金构件滑动界面即可形成含氧化物自润滑纳米材料。其存在如下不足之处：混合材料中，润滑剂占比较低，在保证足够承载能力的基础上，润滑能力不足够强，即不能持续发挥减摩抗磨功能。此外，润滑剂多层石墨烯的层数较少，石墨烯层与层之间滑动摩擦力相对较大，专利CN201611018013.7中诱发形成的摩擦层不具备持久的减摩功能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料。

本发明针对最接近的现有技术作了如下改进：

（1）将三氧化二铁和多层石墨烯制成混合材料，提高了摩擦层中减摩组分的组分含量，产生了持续减摩抗磨功能；

（2）选取不同层数的多层石墨烯制备纳米混合材料，考察摩擦层的持续性，即摩擦层能持续发挥有效作用的时间（滑动距离）。

本发明的技术方案如下：

一种用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料，所述的纳米混合材料是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的润滑剂为原料混合制成；

所述的纳米氧化物颗粒选自三氧化二铁、四氧化三铁、一氧化钛、二氧化钛、三氧化二铝中的一种或几种，且必须含三氧化二铁；

所述的润滑剂选自多层石墨烯、二硫化钼、石墨中的一种或几种，且必须含多层石墨烯；

所述的纳米氧化物颗粒在混合材料中的百分含量为20-30% w/w；

所述的润滑剂在混合材料中的百分含量为70-80% w/w；

当纳米氧化物颗粒中除三氧化二铁外还有其他氧化物颗粒时，各抗磨组分可按任意质量比计；

当润滑剂中除多层石墨烯外还有其他润滑剂，各减摩组分可按任意质量比计；

所述的多层石墨烯层数为10-50层；

所述的纳米混合材料的添加量为0.2-0.5 mg/mm²。

优选地，

所述的纳米混合材料中，纳米氧化物颗粒为三氧化二铁，在混合材料中的百分含量为30% w/w，润滑剂为多层石墨烯，在混合材料中的百分含量为70% w/w，多层石墨烯层数为50层。

现有常规方法是通过表面处理或钛合金表面元素发生化学反应形成抗磨物质，这类方法存在诸多不足，如：成本高；环境污染严重；须在特定条件下形成，而在常规条件下几乎不能形成；摩擦层的形成是建立在消耗摩擦副基体材料基础之上的，这将造成材料的磨耗；更重要的是摩擦层的陶瓷性质有效减少了磨损，但并不总是同时降低摩擦。

滑动试验开始前，将本发明的纳米混合材料直接倾倒在滑动界面上，并摇匀，为防止纳米材料的团聚或溅出，可对盘试样进行适当改造，即在盘中央粘贴一块圆柱形泡沫，同时在盘周围粘附一层硬质胶带。通过滑动摩擦，促使混合材料吸附至钛合金表面，通过聚集、烧结、压实等一系列过程，形成摩擦层，进而发挥减摩抗磨作用。

滑动界面上添加本发明的纳米混合材料，可人工诱导钛合金表面形成功能性梯度摩擦层，即为双层结构，靠近基体（下层）的为以氧化物为主导的摩擦层，靠近磨面（上层）的为以润滑剂为主导的摩擦层。下层摩擦层起承载作用，并支撑着其上的摩擦层，上层摩擦层起润滑作用，并保护下层摩擦层不被磨损。两层摩擦层相互协同，达到同时减摩和抗磨的效果，钛合金摩擦磨损性能显著改善。

当添加富润滑剂纳米混合材料，即混合材料中润滑剂（特别是多层石墨烯）占比较高时，梯度摩擦层特别是上层摩擦层中减摩组分含量高，钛合金可长时间保持极低磨损率和摩擦系数。同样地，当添加的纳米混合材料中多层石墨烯层数较多时，石墨烯层与层之间滑动摩擦力减小，也可促使上层摩擦层持续保持优异的润滑性能。

本发明的纳米混合材料具有如下技术效果：

1）用于钛合金表面时，能够同时抗磨和减摩，可以彻底改善钛合金在严酷工况条件（如高载荷）下摩擦磨损性能。

2）与中国专利CN201611018013.7相比，具有持续发挥减摩抗磨的功能。

附图说明

图1为无添加、只添加多层石墨烯、只添加三氧化二铁及添加实施例1-3的纳米混合材料时TC11合金随滑动距离变化的磨损率；

图2为无添加、只添加多层石墨烯、只添加三氧化二铁及添加实施例1-3的纳米混合材料时滑动体系的摩擦系数；

图3为添加实施例1纳米混合材料时TC11合金表面梯度摩擦层的形貌。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步地详细说明。

实施例1

本实施例中，用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料，所述的纳米混合材料是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的润滑剂为原料混合制成。

所述的纳米氧化物颗粒为三氧化二铁，在混合材料中的百分含量为30% w/w，所述的润滑剂为多层石墨烯，在混合材料中的百分含量为70% w/w，多层石墨烯层数为50层，添加量为0.4 mg/mm²。

实施例2（作为对照例）

本实施例中，用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料，所述的纳米混合材料是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的润滑剂为原料混合制成。

所述的纳米氧化物颗粒为三氧化二铁和四氧化三铁，三氧化二铁在混合材料中的百分含量为30% w/w，四氧化三铁在混合材料中的百分含量为20% w/w，所述的润滑剂为多层石墨烯，在混合材料中的百分含量为50% w/w，多层石墨烯层数为30层，添加量为0.4 mg/mm²。

实施例3（作为对照例）

本实施例中，用于钛合金表面具有持续减摩抗磨功能的纳米混合材料，所述的纳米混合材料是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的润滑剂为原料混合制成。

所述的纳米氧化物颗粒为三氧化二铁和三氧化二铝，三氧化二铁在混合材料中的百分含量为40% w/w，三氧化二铝在混合材料中的百分含量为20% w/w，所述的润滑剂为多层石墨烯和二硫化钼，多层石墨烯在混合材料中的百分含量为20% w/w，二硫化钼在混合材料中的百分含量为20% w/w，多层石墨烯层数为10层，添加量为0.2 mg/mm²。

实施例4 性能检测试验

试验过程：采用MPX-2000型盘销式摩擦磨损试验机对本发明在TC11合金在干滑动摩擦磨损中的实际应用效果进行测试，并将未添加及只添加多层石墨烯或三氧化二铁纳米颗粒的情况作为对比。试验规范确定如下：销试样为Φ5×23 mm²的TC11合金；盘试样为Φ34×10mm²的GCr15轴承钢，硬度为50 HRC；滑动速度为0.5 m/s；滑动距离为800-4000 m，间隔为800 m；载荷为100 N。摩擦系数值由试验机配套软件每隔0.001 s自动读出。滑动开始前，将多层石墨烯、三氧化二铁纳米颗粒或实施例1-3的纳米混合材料添加至TC11合金/GCr15钢滑动界面，摇匀后即可开始试验。

实验结果及分析结论：测试结果如图1-3所示。

只添加多层石墨烯时，TC11合金磨损率比未添加时还高，摩擦系数在极短时间内保持较低值，而后上升至未添加时的水平。

只添加三氧化二铁纳米颗粒时，磨损率位于未添加及只添加多层石墨烯之间，摩擦系数在滑动距离约150 m内升至很高，而后下降至未添加时的水平。

当添加纳米混合材料时，磨损率和摩擦系数在一定滑动距离范围内保持极低值，随后有所上升。特别地，添加实施例1时，直至4000 m，磨损率和摩擦系数始终保持极低，对其进行补充测试，发现直至8800 m，磨损率才逐渐开始上升。究其原因，当添加纳米材料时，钛合金表面将形成摩擦层，其组成取决于纳米材料的组分。只添加多层石墨烯，摩擦层不具承载能力，短时间内即发生破坏。只添加三氧化二铁纳米颗粒，摩擦层虽具有一定承载能力，但其润滑性较差，表现为滑动开始一段时间内摩擦系数较高，故在100 N高载下因剪切应力而在较短时间内即发生破坏。只有添加纳米混合材料时形成的梯度摩擦层，同时含有减摩和抗磨组分，两层摩擦层相互协同，可持续性明显增强，导致TC11合金的摩擦磨损性能得以显著改善。

特别地，当添加富润滑剂的纳米混合材料时，双层摩擦层中含有更多减摩组分，或者多层石墨烯层数较多时，层与层之间滑动摩擦力减小，这些都可促使摩擦层在高载下长时间保持稳定，持续性显著增强，钛合金具有更为优异的摩擦磨损性能。然而，减摩组分也并非越多越好，只添加多层石墨烯时，摩擦层因不具承载能力而不能改善钛合金的摩擦磨损性能。因此，抗磨组分（承载组分）必不可少，只有当摩擦层具有足够承载能力时，才能优化其润滑性，此时，润滑剂含量越高、多层石墨烯层数越多，摩擦层将更持续发挥有效作用。故纳米混合材料中减摩、抗磨组分间的配比及多层石墨烯层数具有一个较优的范围，实施例1为最优实施例。