一种钛合金表面生长的尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层及方法

本发明属于钛合金复合膜层制备领域，具体为一种钛合金表面生长的尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层及方法。

背景技术：

1、钛合金以其优良的高强度、耐蚀性及耐热性等特点已成为高性能结构件的首选材料。此外，钛合金具备生物相容性、超导、储氢、形状记忆等独特功能，而被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空、海洋舰船等领域。由于钛合金自身密度较低，塑性剪切抗力较差和加工硬化能力较弱从而导致其耐磨性能较差，同时，钛原子因其外层电子的电离势较小，易于失去，从而生成热导率较低、粘性较大的氧化膜层，使其表面易于产生黏着摩擦，造成了钛合金在实际服役过程中具有很大的局限性。在海洋工程中，钛及钛合金关键部件到摩擦等重载状态的机械作用，往往导致无法预知的突发性失效而造成巨大损失。

2、梯度功能材料是指材料的组成和结构呈梯度化分布，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。通过调控晶粒尺寸、相组分、厚度等多种角度，可形成从基体表面至镀层表层连续梯度分布而获得梯度功能材料。因此，在钛合金表面制备尺寸梯度mos2/tio2减磨复合膜层来实现钛合金的耐载减磨性能具有重要的意义。

3、微弧氧化技术是一种在轻金属及其合金基体表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用生长出的以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。微弧氧化层具有较好的耐蚀性，承载能力和耐磨性，尤其是钛合金表面微弧氧化处理。由于微弧氧化所得陶瓷膜层具有高硬度、可以有效地提高钛合金的耐磨性，使该技术广泛地应用于钛合金产品的表面处理。然而微弧氧化制得的陶瓷膜层在重载实际应用时材料表面易发生磨损，涂层易出现失效、剥落等问题，因而在钛合金表面制备尺寸梯度mos2/tio2减磨复合膜层可以对高载减磨性能进一步提高。

4、目前主要通过微弧氧化钛合金，得到具有润滑性质的mos2/tio2减磨复合膜层以降低摩擦系数达到减磨效果，但是由于减磨介质钛合金与mos2/tio2减磨复合膜层之间存在弹性模量和塑性变形能力差异，次表层的减磨介质尺寸过大将在切应力作用下产生变形，影响减磨性能。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种钛合金表面生长的尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层及方法，通过分段升压方式来调控膜层中不同阶段mos2的持续生长，形成尺寸梯度结构纳米复合膜层以提高其大载荷下减磨性能。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，包括以下步骤：

4、s1，将质量比为1:(1.5～1.7)的钼酸钠和硫化钠溶解在磷酸盐电解液中，得到混合溶液；

5、s2，将钛合金基体置于混合溶液中，通过单极脉冲电源进行如下工艺的微弧氧化处理：

6、电压先由0v增加至230v后恒压处理4～5min，之后由230v增加至320v后恒压处理5～6min，最后由320v增加至420v后恒压处理8～9min；

7、s3，将s2所得的复合物冲洗后干燥，得到钛合金表面生长的尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层。

8、优选的，s1所述的磷酸盐电解液通过每1l去离子水中加入10～12g六偏磷酸钠和4～6g氟化钾后溶解得到。

9、优选的，s1所述的钼酸钠和硫化钠的浓度均为12～20g/l。

10、优选的，s2将钛合金基体打磨至表面光滑，清洗后烘干再置于混合溶液中。

11、优选的，s2中钛合金基体作为阳极，不锈钢板作为阴极。

12、优选的，s2所述的增压过程均为线性增压，升压速度均为25～30v/min。

13、优选的，s2所述的微弧氧化处理中，电流密度为0.1～0.3a/dm2。

14、优选的，s2所述的微弧氧化处理中，占空比为14～16％。

15、优选的，s3将s2所得的复合物用去离子水冲洗后干燥。

16、一种由上述任意一项所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法得到的尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、本发明一种钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，仅通过微弧氧化在钛合金表面原位合成了尺寸梯度mos2/tio2减磨复合膜层，相较于直接添加纳米颗粒的膜层，本发明制得的膜层具有更大的膜基结合力并且膜层内部更加致密均匀，同时有效解决了摩擦磨损过程中的稳定性和耐载性的问题。本发明通过调控分段升压的方式，能够得到不同电压对应复合膜层的梯度结构，在实际生产应用时能够根据使用场合选择电压值，大大提高了生产效率。本发明通过引入梯度结构和固体润滑剂二者相结合来获得具有良好减磨性能的复合陶瓷膜层，将不同尺寸二硫化钼的梯度结构引入到陶瓷膜层，膜层间结合良好，提高了钛合金的抗载荷减磨性能。本发明合成含有梯度分布的二硫化钼复合膜层，膜层与基体的结合方式为冶金结合，界面结合强度高。操作过程简单，不仅避免了转移过程中造成的损伤还极大地提高了膜层的减磨性能，制备的复合膜层具有致密性高、大载荷减磨性能好等特点，提升了钛合金在高载荷下的应用范围。

19、本发明实现了尺寸梯度减磨复合膜层的制备，梯度结构使得膜层与基体之间的界面应力分布更加均匀，即梯度结构能够改善膜基结合力。膜层中二硫化钼尺寸占比沿膜层生长方向发生有大到小的变化，由于二硫化钼在不同电压体系下形成尺寸差异，即原子间结合力不断加强，在不同程度的磨损作用下，都能够保护基材不被损坏。基于此，本发明梯度结构的减磨复合膜层能够减少界面效应，有效提高膜层均匀性和减磨性，所得膜层在相对高载荷场合下具有优异的摩擦磨损性能，相较于钛合金，其减磨性能有较大提升。

技术特征：

1.一种钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，s1所述的磷酸盐电解液通过每1l去离子水中加入10～12g六偏磷酸钠和4～6g氟化钾后溶解得到。

3.根据权利要求1所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，s1所述的钼酸钠和硫化钠的浓度均为12～20g/l。

4.根据权利要求1所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，s2将钛合金基体打磨至表面光滑，清洗后烘干再置于混合溶液中。

5.根据权利要求1所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，s2中钛合金基体作为阳极，不锈钢板作为阴极。

6.根据权利要求1所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，s2所述的增压过程均为线性增压，升压速度均为25～30v/min。

7.根据权利要求1所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，s2所述的微弧氧化处理中，电流密度为0.1～0.3a/dm2。

8.根据权利要求1所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，s2所述的微弧氧化处理中，占空比为14～16％。

9.根据权利要求1所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法，其特征在于，s3将s2所得的复合物用去离子水冲洗后干燥。

10.一种由权利要求1～9中任意一项所述的钛合金表面生长尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层的方法得到的尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层。

技术总结本发明提供了一种钛合金表面生长的尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层及方法，所述方法将质量比为1:(1.5～1.7)的钼酸钠和硫化钠溶解在磷酸盐电解液中，得到混合溶液；将钛合金基体置于混合溶液中，通过单极脉冲电源进行如下工艺的微弧氧化处理：电压先由0V增加至230V后恒压处理4～5min，之后由230V增加至320V后恒压处理5～6min，最后由320V增加至420V后恒压处理8～9min；将所得的复合物冲洗后干燥，得到钛合金表面生长的尺寸梯度二硫化钼/氧化钛复合膜层。本发明通过分段升压方式来调控膜层中不同阶段MoS<subgt;2</subgt;的持续生长，形成尺寸梯度结构纳米复合膜层以提高其大载荷下减磨性能。技术研发人员：陈永楠,李蕾,宁炳坤,王楠,杨泽慧,徐义库,赵秦阳,张凤英,张勇受保护的技术使用者：长安大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23