钛合金紧固件或连接件润滑涂层喷涂方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，具体涉及一种钛合金紧固件或连接件润滑涂层喷涂方法。

背景技术

摩擦磨损是工业领域普遍存在的问题，导致不必要的能量损耗和机械零部件的失效。在工业装配领域，由于其处于多个构件的交界处，不同构件间的相对独立运动导致的连接件摩擦磨损尤为严重。据统计，被连接件与组合装置中约有70％是由紧固件连接的，通常用于紧固连接的机械零件，服役于复杂的工况环境(高频重载)和应力状态(弯曲、剪切、扭转)，造成紧固件摩擦面产生的热量无法及时传递扩散，极易产生“粘着/跳动”现象，由此伴随的材料摩擦磨损是导致紧固件失效或破坏的主要方式之一。因此，实现各类紧固件高设计应力及轻量化，同时改善摩擦磨损一直是众多科研工作者的目标。

钛合金密度约为钢的60％，强度超过很多合金和结构钢，比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，由于其轻质高强、耐腐蚀、高低温强度特性优异等特点广泛应用于航空航天、高端精密机械装备等领域。其中，基于钛合金材料的紧固件或连接件得到了大量应用，同时也对其提出了更高抗疲劳性能要求。然而，钛合金表面硬度和塑性剪切抗力较低，摩擦氧化物疏松且脆，其较差的减磨抗磨性能导致紧固或连接失效。改善钛合金摩擦磨损性能的方法主要有表面改性技术、表面合金化技术和表面涂镀技术。表面改性技术如激光冲击处理、低能量高电流高电子束照射等可改变材料表面物相组成、微观结构，而表面合金化技术如渗氮、离子注入等可使增强相直接进入基材表面形成一层具有保护作用的合金化层；上述两种技术采取被动的抵抗牺牲策略，虽然一定程度上提高了基材的减摩抗磨性能，但是苛刻工况下的高负载运行仍会不断磨损钛合金紧固件或连接件，导致材料疲劳失效。表面涂镀技术可将润滑材料添加在基材表面形成涂层或镀层，基材不参与涂层的形成，使材料摩擦磨损限制在涂层与摩擦副界面，对基材起到了保护。因此，基材表面引入润滑涂层，在摩擦过程中作为固体润滑膜，可降低紧固件或连接件的摩擦磨损，对延长设备使用寿命和提高其减摩抗磨性能具有显著作用。

通过喷涂或浸润等手段将润滑材料涂覆于钛合金紧固件或连接件表面，形成一层自润滑涂层，满足了轻质高强且自润滑的苛刻工况要求，极大提高其减摩抗磨性能。然而，目前在金属表面涂覆存在结合强度低等问题，同时现有的金属材料表面预处理技术(例如喷砂、磷化等)存在工艺复杂、环境污染等问题，很难满足关键机械零部件服役可靠性和高频重载等极端工况下设备安全性。此外，对于结构复杂的紧固件，现有手段很难将涂料均匀喷涂在材料表面，导致紧固件内外表面产生厚度梯度且出现离散点状涂料，抑制了钛合金紧固件或连接件表面固体自润滑涂层的实际使用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有喷涂方法存在金属表面与涂层之间结合强度低、对于结构复杂的紧固件喷涂不均匀，润滑涂层难以发挥实际作用的技术问题，而提供一种钛合金紧固件或连接件润滑涂层喷涂方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

钛合金紧固件或连接件润滑涂层喷涂方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)预处理

对涂料以及钛合金紧固件或连接件的表面分别进行预处理；

其中，对涂料预处理是指将涂料混合均匀，过滤去除50μm以上的颗粒物，并进行预热，使聚合物链柔顺；

对钛合金紧固件或连接件的表面进行预处理是指去除表面的氧化层及污染物，使表面的粗糙度处于100～150nm，并通过氧等离子体处理，增强基底表面能；由于钛合金表面易被氧化，氧化膜降低基底与涂层界面结合力，因此打磨至表面粗糙度为100～150nm，除去表面氧化膜且为表面与涂层之间的结合提供较强的物理束缚，有利于表面(即基底)与涂层形成机械互锁，同时，还能避免轮廓最大高度(Ry)过大导致基底凸起的最高峰受压造成内挤压；即通过一定的表面不平整结构与涂层形成犬牙交错的物理机械互锁，同时避免单个最高峰过高，受压导致峰顶应力集中，对涂层造成破坏；而增强基底表面能主要通过引入亲水基团如羟基，使得基底与涂料带有基团形成化学键合或氢键相互作用，从而增强界面结合力。

2)喷涂

2.1)调节喷枪，使步骤1)预处理后的涂料通过喷枪形成稳定的喷雾喷出；

2.2)采用步骤2.1)调节好的喷枪，对步骤1)预处理后的钛合金紧固件或连接件进行喷涂形成半成品；

3)固化

将步骤2)形成的半成品进行热处理固化，自然冷却得到具有润滑涂层的钛合金紧固件或连接件。

进一步地，步骤1)中对钛合金紧固件或连接件的表面进行预处理具体为：

A1.将钛合金紧固件或连接件的表面进行打磨，去除其表面氧化层；

A2.将步骤A1打磨后的钛合金紧固件或连接件按照无水乙醇-丙酮-无水乙醇的顺序进行超声清洗，去除其表面的污染物；所述污染物为油脂和步骤A1产生的磨屑；

A3.将步骤A2清洗后的钛合金紧固件或连接件进行表面氧等离子体处理，增强基底表面能；增强基底表面能主要通过引入亲水基团如羟基，使得基底与涂料带有基团形成化学键合或氢键相互作用，进一步增强界面结合力。

进一步地，A1中，采用目数为400目、800目的砂纸依次进行打磨；

A2中，每次超声清洗时间为5-10min，即在无水乙醇、丙酮、无水乙醇中每次超声清洗5-10min；

A3中，等离子体处理采用氧气或空气作为气体源，处理时间为3min；考虑到生产环境中氧气存储的安全性问题，在此推荐使用空气作为气体源，对表面进行亲水改性，具有更好的实际应用价值。

进一步地，步骤1)对涂料预处理具体为：

B1.对涂料进行机械搅拌或超声处理，得到混合均匀的涂料；

B2.通过300目滤网对步骤B1得到的涂料进行过滤处理，除去50μm以上的颗粒物；即使对涂料进行充分搅拌后仍常存在沉降与团聚，这些大颗粒无法雾化，喷涂后固化形成的表面“斑点”往往是涂层缺陷，因此选用合适目数滤网以除去宏观聚集体且避免滤去作为涂料增强相的微纳米填料，选用滤网孔径在对应填料尺寸之上的滤网即可，本发明中选用滤网为300目除去大于50μm颗粒。

B3.将步骤B2得到的涂料进行预热，预热温度根据涂料物化性质以及环境温度设定，一般不高于50℃，旨在增加聚合物链的柔顺性，便于喷涂，具体的预热温度根据涂料本身的性质决定，增加大分子链间的运动活性便于喷涂，其流变性能的变化不会对涂料喷涂产生影响。

进一步地，在步骤2)使用喷枪前，采用有机溶剂清洗喷枪内壁，除去残余物质；所述有机溶剂为与涂料相同溶剂或性质相似的溶剂，如N-甲基吡咯烷酮、丙酮、甲苯或乙醇等。经过溶剂清洗后，由于涂料在喷涂初期上料不充分，压力一定下涂料运动速度快，在喷枪内部雾化不充分，导致表面产生点状颗粒，会削弱上层涂料与基底表面结合。有别于过滤处理的是，过滤是为了避免涂料自身状态的影响，预喷涂是为了避免喷涂初期的进料不充分。所以，清洗喷枪后，应在空白样进行预喷涂，调节喷枪，观察喷出涂料是否细且均匀，待稳定输出后转移至待喷涂钛合金紧固件或连接件上，此时喷枪内部已充满涂料，雾化充分的喷涂涂料能与表面粗糙结构形成致密结合。

进一步地，喷涂的具体工艺参数为：喷涂的具体工艺参数为：喷枪口径为0.2-0.5mm，喷枪角度为60-90°、喷枪压力为0.1-0.5MPa、喷涂时间为9-12s、喷枪与钛合金紧固件或连接件的距离为10-15cm、钛合金紧固件或连接件的旋转角速度为1.5-2rad/s、钛合金紧固件或连接件旋转三周。转速与涂料类别有关，过高会导致喷涂到表面的涂料较干，产生桔皮，过低则会导致涂膜粗糙。上述工艺参数主要针对复杂管状紧固件或连接件内壁润滑涂层涂覆，对其他如平面块状或工件外表面也适用且操作更简单。针对不同结构和规格的钛合金紧固件或连接件的喷涂，工艺参数可通过测试阶段确定，然后在喷涂前调节好，由于不同涂料的粘度不同，同一工艺参数下喷涂的涂布密度也有所不同，因此需提前确立一些需要注意的工艺参数测试项目，随后通过摩擦学性能评价确定润滑涂层的工艺参数。

进一步地，步骤3)中，根据涂层所需强度与附着力于240-280℃之间选择固化温度；固化时间根据涂层厚度确定，范围在20-40min。

进一步地，所述润滑涂层的厚度为15-20μm，该厚度范围工件的摩擦磨损性能更为优异。

进一步地，所述涂料为聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯或MXene等固体润滑涂料，预处理后涂料的粘度为250-400*10

一种钛合金紧固件或连接件，其特殊之处在于：采用上述方法进行表面处理及润滑涂层喷涂。

本发明的优点是：

1.本发明为钛合金此类高强紧固件或连接件的减摩抗磨提供了一种方法，思路新颖；其一：通过对钛合金紧固件或连接件表面进行预处理，包括机械打磨、清洗和等离子体处理，获得粗糙、洁净的高表面能基底；通过机械互锁结构锁紧，提供物理束缚，通过引入亲水基团增加表面能，提供化学键和氢键作用力，使得基底与涂料界面产生化学结合，增大锁紧力；从物理、化学两方面共同作用提供更强的涂层附着力(即界面结合力)；其二：对涂料进行预处理，包括混合均匀、去除颗粒物、预热增加柔顺性；选用孔径在对应填料尺寸之上的滤网除去宏观聚集体(颗粒物)并保留增强相的微纳米填料，将涂料均匀化、细化，避免出现沉降或团聚；其三：采用进行微小型喷涂工作的喷枪，并通过预先测试调节喷涂及固化的工艺参数，将涂料喷涂在基底，实现润滑涂层在金属表面的均匀涂覆，制备摩擦学性能优异的润滑涂层。该方法将各个因素统一考虑、具有成本低、操作简单、适用性广等特点，极大提高钛合金紧固件或连接件的服役寿命和可靠性。

2.本发明方法制备的润滑涂层减磨抗磨性能优异，可广泛应用于其他金属类或合金类紧固件或连接件表面润滑涂层的制备，但具体的粗糙度以及工艺参数需根据金属或合金的种类进行相应的调整。

3.本发明所制备的钛合金紧固件或连接件表面润滑涂层附着力强，减摩抗磨性能优异，可靠性高、实现高温、高真空、重载荷等严苛工况条件下紧固件或连接件的润滑，极大提高工件服役性能，适用于航空航天、高端精密机械装备技术领域。

附图说明

图1为钛合金表面机械打磨后的原子力显微镜(AFM)形貌；a为经400目砂纸打磨后形貌、b为经800目砂纸打磨后的形貌、c为经2000目砂纸打磨后的形貌；标尺为均1μm；

图2为涂层厚度测试；a为光学三维轮廓形貌、b为剖面高度曲线；

图3为涂层的附着力测试；a为3M胶带形貌；b为涂层划痕光学显微镜形貌；

图4为钛合金基底和润滑涂层表面测试的摩擦系数及表面磨斑形貌；a为摩擦系数曲线、b为钛合金磨斑光学显微镜形貌、c为润滑涂层磨斑光学形貌。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

参见图1～图4，一种钛合金紧固件或连接件润滑涂层喷涂方法，通过对钛合金基底和润滑涂料的前处理，采用喷涂工艺制备了摩擦学性能优异的润滑涂层。

该方法具体是按照以下步骤进行的：

1)对钛合金紧固件或连接件(以下称工件)表面进行打磨、清洗等处理，除去表面氧化层、多余油脂、尘土等污染物，提高钛合金紧固件或连接件表面粗糙度，使得基材表面微结构与涂料形成机械互锁，附着力增强，包括以下步骤：

1.1)将待处理的工件送入磨抛机机械打磨或人工打磨，去除工件表面的氧化层，使表面的粗糙度提升至100～150nm；

1.2)将步骤1.1)打磨后的工件按照无水乙醇-丙酮-无水乙醇进行超声清洗，去除工件表面的多余油脂、有机污染物和磨屑等污染物；

1.3)将步骤1.2)清洗后的工件进行表面氧等离子体处理，增强基底表面能；等离子体处理采用空气作为气体源，处理时间3min。

2)涂料的预处理，包括以下步骤：

2.1)对购买的润滑涂料进行机械搅拌或超声等辅助措施处理，得到混合均匀的涂料；

2.2)将步骤2.1)得到的涂料进行过滤处理，除去50μm以上的大颗粒杂质物；

2.3)将步骤2.2)得到的涂料进行预热处理，预热温度根据涂料物化性质以及环境温度设定，旨在增加聚合物链的柔顺性，便于喷涂。

3)润滑涂层的喷涂工艺，包括以下步骤：

3.1)预喷涂阶段，先采用有机溶剂清洗喷枪内壁，该喷枪总长140-150mm，可通过调节螺钉调节流量，喷嘴6mm；喷枪口径为0.2～0.5mm，可通过不同尺寸的枪针进行调节，根据涂料粘度选择合适喷枪口径。调节喷枪，在空白纸上进行预喷涂直至涂料喷雾稳定喷出。即预喷涂采用溶剂-涂料顺序，有机溶剂选用与涂料相同溶剂或性质相近的溶剂，除去喷枪中残余物质；涂料的预喷涂应等待涂料稳定输出后结束，避免后续喷涂在工件表面出现点状颗粒；

3.2)将步骤3.1)中的空白纸换成步骤1)中表面处理后的工件，固定在具有旋转功能的固定装置上，按照事先确定好的工艺参数完成喷涂工作，形成半成品；

3.3)将步骤3.2)得到的半成品在特定温度下加热一段时间完成固化，随后自然冷却取出得到具有特定厚度润滑涂层的工件。

步骤3.2)和3.3)中使用的具体的工艺参数(如喷枪角度、喷枪压力、旋转角速度与工件的距离、钛合金紧固件或连接件旋转次数、高温固化温度与保温时间)可通过正交实验设计，性能检测以确定制备具有最佳耐磨抗磨性能的润滑涂层的工艺参数。

为验证该工艺方法的效果，选用钛合金TA3紧固件，选择聚四氟乙烯涂料作为润滑材料进行本实施例研究：

TA3紧固件的表面处理：

对TA3紧固件采用简单易行的机械打磨，并将打磨后的金属基材按照无水乙醇-丙酮-无水乙醇的顺序超声清洗，取出后用氮气枪吹干避免金属表面溶剂及污染物残留，完成对金属表面氧化层、油脂、尘土等污染物的清理。提高钛合金基材表面的粗糙度，可有效提高涂层在基材上的附着力。首先机械打磨阶段采用400、800、2000目数的砂纸打磨，其表面形貌如图1所示，表面粗糙度分别为130.3nm、116.4nm、72.4nm。随后对清洗吹干后的洁净金属进行氧等离子体处理。实验结果表明，800目砂纸打磨后表面粗糙度更为合适，且能完全除去金属表面的氧化层、油脂等污染物。

聚四氟乙烯涂料的预处理：

对原始涂料机械搅拌1-2h，转速为500-700rpm，机械搅拌后通过300目滤网过滤除去大颗粒团聚物，并在20-30℃下预热10min，粘度为250-400*10

聚四氟乙烯涂料的喷涂工艺：

喷涂前先利用有机溶剂进行喷枪内壁清洗及预喷涂，调节喷枪直至稳定喷出涂料喷雾后，将表面处理后的TA3紧固件固定在旋转装置上，喷涂时通过调整工件的旋转速度来调控涂料均匀性与厚度，改变喷枪与工件间倾角与距离实现对喷涂深度与涂层厚度的调控，最后进行高温固化，得到表面具有一定厚度润滑涂层的钛合金紧固件或连接件；具体工艺参数为：喷涂的具体工艺参数为：喷枪口径为0.3mm，喷枪角度为60-90°、喷枪压力为0.1-0.5MPa、喷涂时间为9-12s、喷枪与钛合金紧固件或连接件的距离为10-15cm、钛合金紧固件或连接件的旋转角速度为1.5-2rad/s、钛合金紧固件或连接件旋转三周。

涂层厚度测试：

借助三维轮廓仪对上述所制备的钛合金紧固件或连接件润滑涂层进行厚度测试，其三维形貌及剖面高度曲线如图2所示。结果表明，该工件润滑涂层厚度为15-20μm，润滑涂层厚度可控可以通过改变工艺条件进行合理调控，本发明可制备5～30μm的涂层。

涂层结合力测试：

对上述所制备的钛合金紧固件或连接件润滑涂层采用GB/T9286-98有机涂料划格附着力测试方法来测试涂层的附着力，并借助光学显微镜对涂层划痕形貌进行表征。3M胶带与涂层划痕形貌如图3所示。结果表明，该钛合金紧固件或连接件润滑涂层附着力优异，在百格刀刮擦下基材与涂层界面分层清晰，无明显剥落。

涂层摩擦学性能测试：

通过万能摩擦磨损试验机(UMT Tribo)对上述所制备的钛合金紧固件或连接件润滑涂层进行摩擦学性能测试，摩擦对偶为轴承钢(GCr15)，测试参数为5N，5Hz，20℃，行程1.5mm，时间30min，进行往复摩擦测试，并通过三维轮廓仪和光学显微镜对其磨斑形貌进行表征。钛合金基材与涂敷润滑涂层的钛合金紧固件或连接件摩擦系数曲线与磨斑形貌如图4所示。结果表明，未处理的钛合金基材摩擦系数为0.85左右，喷涂润滑涂层后摩擦系数降低至0.06，摩擦系数大幅下降，磨损量低，表现出优异的减摩抗磨效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。