阅读说明：本技术 一种用于钛合金表面具有稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料 (It is a kind of that there is the nanocomposite for stablizing antiwear and antifriction function for titanium alloy surface ) 是由 周银 王树奇 赵振江 许胜� 王健 于 2019-08-26 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稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料,所述的纳米复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多层石墨烯为原料,采用液相剥离法制备的氧化物颗粒/多层石墨烯纳米复合材料,纳米氧化物颗粒均匀分散于石墨烯片层表面和层间。本发明的纳米复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,具有在高载下仍能有效发挥抗磨减摩功能,即摩擦层稳定性强的技术进步。(The present invention provides a kind of nanocomposites for having for titanium alloy surface and stablizing antiwear and antifriction function, the nanocomposite be using as abrasion resistant component nano-oxide particles and as antifriction component multi-layer graphene as raw material, oxide particle/multi-layer graphene the nanocomposite prepared using liquid phase stripping method, nano-oxide particles are dispersed in graphene film layer surface and interlayer.When nanocomposite of the invention is had the following technical effect that for titanium alloy surface 1), can wear-resistant and antifriction simultaneously, can thoroughly improve titanium alloy friction and wear behavior under severe service condition (such as top load).2) compared with Chinese patent CN201611018013.7, have the function of to remain to effectively play antiwear and antifriction in the case where height carries, i.e. the strong technological progress of frictional layer stability.)

一种用于钛合金表面具有稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料

技术领域

本发明涉及一种用于钛合金表面具有稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料，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：游离的三氧化二铁纳米颗粒易发生团聚，减小了三氧化二铁纳米颗粒的比表面积和表面能，从而限制其发生烧结。在添加相同量的纳米材料时，专利CN201611018013.7中诱发形成的摩擦层中三氧化二铁明显减少，即抗磨组分含量降低。

本发明将三氧化二铁和多层石墨烯制成复合材料，三氧化二铁将均匀分散于石墨烯片层表面和层间，烧结率明显增强，摩擦层因抗磨组分含量高而具有稳定的抗磨减摩功能。

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稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料。

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复合材料，摩擦层因抗磨组分含量高而具有稳定的抗磨减摩功能；

（2）选取不同种类、粒径、形状的氧化物颗粒制备复合材料，考察摩擦层的稳定性，即摩擦层能承受的载荷。

本发明的技术方案如下：

一种用于钛合金表面具有稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料，所述的纳米复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多层石墨烯为原料，采用液相剥离法制备的氧化物颗粒/多层石墨烯纳米复合材料，纳米氧化物颗粒均匀分散于石墨烯片层表面和层间；

所述的纳米氧化物颗粒选自三氧化二铁、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；

所述的纳米氧化物颗粒占复合材料总重量百分比为80-90% w/w；

所述的多层石墨烯占复合材料总重量百分比为10-20% 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；

所述的纳米氧化物颗粒的粒径为30-300 nm，三氧化二铁颗粒的形状选用球状或纺锤状。

优选地，

所述的纳米复合材料中，纳米氧化物颗粒为三氧化二铁，占复合材料总重量百分比为80% w/w，多层石墨烯占复合材料总重量百分比为20% w/w，三氧化二铁纳米颗粒粒径为30nm，形状为球状。

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。而本发明的制备方法并非常规方法，是将三氧化二铁纳米颗粒和多层石墨烯通过液相剥离法制成纳米复合材料，并添加至滑动界面，诱导形成功能性梯度摩擦层，可同时避免上述不足。

滑动试验开始前，将复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，促使复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，进而发挥抗磨减摩作用。

在滑动界面上添加本发明的纳米复合材料，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）的为以多层石墨烯为主导的摩擦层。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，达到同时抗磨和减摩的效果，钛合金摩擦磨损性能显著改善。

当添加富氧化物纳米复合材料，即复合材料中氧化物（特别是三氧化二铁）占比较高时，梯度摩擦层特别是下层摩擦层中承载组分含量高，钛合金可在更高载荷下保持极低磨损率和摩擦系数。同样地，当纳米氧化物颗粒为球状、小尺寸时，因表面积大，表面能高，易于烧结，也可促使钛合金具有更优异的摩擦磨损性能。产生了意想不到的技术效果。

本发明的纳米复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，具有在高载下仍能有效发挥抗磨减摩功能，即摩擦层稳定性强的技术进步。

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1-4的纳米复合材料时TC11合金随载荷变化的磨损率；

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1-4的纳米复合材料时滑动体系的平均摩擦系数；

图3为添加实施例3纳米复合材料时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（作为对照例）

本实施例中，用于钛合金表面具有稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料，是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的多层石墨烯为原料，采用液相剥离法制备的氧化物颗粒/多层石墨烯纳米复合材料，纳米氧化物颗粒均匀分散于石墨烯片层表面和层间；

所述的纳米氧化物颗粒为三氧化二铁，占复合材料总重量百分比为40% w/w，减摩组分多层石墨烯占复合材料总重量百分比为60% w/w，三氧化二铁纳米颗粒粒径为300 nm，形状为球状。

复合材料的制备属于常规方法。

实施例2（作为对照例）

本实施例中，用于钛合金表面具有稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料，是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的多层石墨烯为原料，采用液相剥离法制备的氧化物颗粒/多层石墨烯纳米复合材料，纳米氧化物颗粒均匀分散于石墨烯片层表面和层间；

所述的纳米氧化物颗粒为三氧化二铁和二氧化钛，其中三氧化二铁占复合材料总重量百分比为25% w/w，二氧化钛占复合材料总重量百分比为25% w/w；减摩组分多层石墨烯占复合材料总重量百分比为50% w/w，三氧化二铁、二氧化钛纳米颗粒粒径分别为200 nm、100nm，形状分别为纺锤状、球状。

复合材料的制备属于常规方法。

实施例3

本实施例中，用于钛合金表面具有稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料，是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的多层石墨烯为原料，采用液相剥离法制备的氧化物颗粒/多层石墨烯纳米复合材料，纳米氧化物颗粒均匀分散于石墨烯片层表面和层间；

所述的纳米氧化物颗粒为三氧化二铁，占复合材料总重量百分比为80% w/w，减摩组分多层石墨烯占复合材料总重量百分比为20% w/w，三氧化二铁纳米颗粒粒径为30 nm，形状为球状。

复合材料的制备属于常规方法。

实施例4

本实施例中，用于钛合金表面具有稳定抗磨减摩功能的纳米复合材料，是以作为抗磨组分的纳米氧化物颗粒和作为减摩组分的多层石墨烯为原料，采用液相剥离法制备的氧化物颗粒/多层石墨烯纳米复合材料，纳米氧化物颗粒均匀分散于石墨烯片层表面和层间；

所述的纳米氧化物颗粒为三氧化二铁，占复合材料总重量百分比为90% w/w，减摩组分多层石墨烯占复合材料总重量百分比为10% w/w，三氧化二铁纳米颗粒粒径为30 nm，形状为纺锤状。

复合材料的制备属于常规方法。

实施例5 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Φ34×10 mm²的GCr15轴承钢，硬度为50HRC；滑动速度为0.5 m/s；转数为10000转（约1600 m）；载荷为20-120 N，间隔为20 N。试验机配套软件每隔0.001 s读出一个摩擦系数值，平均摩擦系数为所有值的平均数。滑动开始前，按单位滑动面积的添加量计，将0.3 mg/mm²多层石墨烯、三氧化二铁纳米颗粒或实施例1-4的纳米复合材料添加至TC11合金/GCr15钢滑动界面。

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，摩擦系数变化不大。

只添加三氧化二铁纳米颗粒时，低载下磨损率很低，高载下升高，而平均摩擦系数明显高于未添加时。

当添加本发明实施例1-4的纳米复合材料时，合金的磨损率在高载下仍保持极低值，平均摩擦系数也有所下降。

特别地，添加实施例3时，直至120 N，磨损率和摩擦系数始终保持极低。

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，低载下即发生破坏。

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，表现为摩擦系数较高，高载下因剪切应力而易发生破坏。

只有添加本发明纳米复合材料时形成的梯度摩擦层稳定性较高，同时含有抗磨和减摩组分，两层摩擦层相互协同，导致TC11合金的摩擦磨损性能得以显著改善。

特别地，当添加富氧化物的纳米复合材料或氧化物颗粒尺寸小、表面积大时，双层摩擦层中含有更多承载组分，促使其在更高载荷下仍稳定存在，钛合金具有更为优异的摩擦磨损性能。然而，抗磨组分也并非越多越好，如实施例4，此时减摩组分含量较低，在摩擦磨损过程中，摩擦层缺乏足够的润滑能力也不能较稳定地存在，故纳米复合材料中抗磨、减摩组分具有一个较优的配比范围，实施例3为最优实施例。

与中国专利CN201611018013.7相比，本发明的效果具有如下进步：

钛合金能在高载120 N（甚至更高载荷）下，具有极其低的磨损率和摩擦系数，主要原因是同等条件下，添加的复合材料促使摩擦层中含有更高含量的抗磨组分三氧化二铁，促使摩擦层具有极强的稳定性，进而发挥稳定的抗磨减摩功能。