一种用于航空紧固件丝材的耐高温高润滑涂层及其应用的制作方法

本发明涉及钛合金加工材料，具体涉及一种用于航空紧固件丝材的耐高温高润滑涂层及其应用。

背景技术：

1、紧固件是一类将两个以上零件紧固连接起来的一类机械零件，被称为“工业之米”。航空航天紧固件指用于航空航天，能满足航空航天特殊技术要求的紧固件。通常应用在飞机、卫星、火箭等航空航天飞行器上，是一种典型的高端紧固件其性能要求也极高。

2、钛及钛合金紧固件具有质量轻、比强度高、热强性好、耐高温等特性，在飞机、发动机和航天飞行器上的应用越来越多，在现代航空、航天工业广泛应用。钛合金紧固件的制备工艺从车削成型，到单墩成型，再到连续墩制成型，连续墩制成型由于材料利用率高，墩制效率高等优势正在成为钛合金紧固件生产的主要发展方向。但是由于钛合金具有高化学活性、易粘附等特性，在实际生产使用中仍存在许多问题。现有技术通常在钛合金表面涂覆润滑涂层，来达到保护材料、减小摩擦、易于墩制的效果。然而现有的润滑涂层使用中仍存在许多问题，如常温下剐蹭易造成涂层剥落，高温下涂层易变性失效脱落；特别是在连续高温墩制变形过程中，涂层脱落过早，不能完成多模多冲如三模六冲的变形过程的润滑隔离作用。

3、如何在作为紧固件原料的钛合金丝材表面形成良好的润滑剂涂层，在连续墩制过程有效起到润滑隔离作用，成为钛合金紧固件连续墩制成型工艺的瓶颈，尤其是ti6al4v钛合金紧固件需要高温环境700-820℃下才能顺利墩制，要求润滑涂层在高温环境保持粘接牢固，并同时具备良好的润滑隔离作用。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种用于航空紧固件丝材的耐高温高润滑涂层，涂层在常温下具有优异的粘结性，能避免移动丝材剐蹭造成涂层剥落；在高温环境中性能保持良好，不易变性，且粘结牢固性好，不易脱落。

2、本发明一方面提供一种用于航空紧固件丝材的耐高温高润滑涂层，按重量份计，所述涂层的原料包括：石墨20-30份、二硫化钼30-40份、碳化钼3-10份、硅酸盐20-30份、硅粉1-5份、稀释剂15-30份。

3、石墨属于六方晶系层状晶体结构，层内的碳原子间以强共价键相连，层与层之间的碳原子以较弱的范德华力相连，当受到平行方向的剪切力时，层与层间极易滑动，所以具备较低的摩擦系数，且具有良好的导电、导热和耐高温性。二硫化钼同属于层状六方晶系金属化学物，其mo和s原子以强共价键相连，分子层之间由较弱的范德华力相连，层与层间同样易于滑动，具有优异的润滑性能，但是二硫化钼易于氧化，特别是在潮湿环境下容易氧化导致润滑性能变差。碳化钼同属于六方晶系，具有良好的热稳定性、机械稳定性等性能，本发明的润滑涂层使用几种成分配合使用，具有优异的耐高温、润滑效果。

4、优选的，所述石墨的平均粒径＜3um，比表面积为10-50m2/g。

5、优选的，所述二硫化钼为纳米二硫化钼。

6、优选的，所述二硫化钼的制备原料包括：四水合钼酸铵、硫脲。更优选的，所述四水合钼酸铵和硫脲的摩尔质量比为1：20-30。

7、更优选的，所述二硫化钼的制备方法为：将四水合钼酸铵和硫脲溶解于水中，加热至220℃保温13-15h，冷却后使用水和乙醇进行清洗，真空干燥后，即得。

8、发明人发现，将石墨与二硫化钼配合使用时，不仅具有优异的润滑效果，且能提高润滑涂层的稳定性和耐久性，在高温条件下依旧能保持较好的润滑性能。可能是由于石墨与二硫化钼共使用时，一方面石墨的存在能够抑制二硫化钼的团聚，另一方面两者形成均匀的连续相，石墨和二硫化钼之间形成共价键/离子键/共价键的三明治状键合结构，能够有效阻止化学作用，提高润滑性；并且石墨对二硫化钼起到保护作用，降低了其氧化失效的现象，从而增强涂层的稳定性和耐久性。特别是当石墨的平均粒径＜3um、比表面积为10-50m2/g时，配合特定的纳米二硫化钼，润滑效果、稳定性和耐久性由显著提高。发明人分析，可能由于纳米二硫化钼制备时使用过量的硫脲，硫脲的存在一定程度上抑制了二硫化钼的自组装，使其分子层内存在更多的活性点，从而使其与石墨之间的结合力更强，形成更多的异质界面，大量的异质界面能够显著的降低摩擦系数，提高润滑性能，在摩擦条件下抑制了石墨和二硫化钼在摩擦过程中产生的结构衰退；同时还能对二硫化钼形成更好的保护。

9、优选的，所述碳化钼的平均粒径为1-20um，比表面积为1-50m2/g。

10、优选的，所述润滑涂层的原料还含有碳黑。所述碳黑与二硫化钼的质量比为1：3-5。

11、更优选的，所述碳黑的粒径为1-200nm，电阻率＜1ohm·m。

12、本发明中，同时还含有粒径为1-200nm的碳黑，发明人发现，碳黑的加入能够进一步更好的对二硫化钼等材料起到保护作用。1-200nm的碳黑能够更好的分散在本发明的材料体系中，对二硫化钼等材料起到包覆保护的效果。将本发明的纳米二硫化钼、平均粒径＜3um、比表面积为10-50m2/g的石墨和1-200nm的碳黑配合使用，特别是当润滑涂层采用静电喷涂的手段喷涂在丝材表面时，其涂层涂覆非常均匀。但是碳黑不能过多，否则会影响涂层的润滑效果，反而涂层均匀性会变差。可能是由于过量的碳黑会自聚，且其与二硫化钼的结合会影响石墨与二硫化钼之间的层状结构，从而影响润滑效果和喷涂均匀性。

13、优选的，所述硅酸盐为硅酸钠、硅酸镁、硅酸铝、硅酸钾、硅酸锂中的一种或多种混合。

14、为了使润滑涂层在高温下仍保持优异的粘结力和润滑效果，优选的，所述硅酸盐为硅酸钠、硅酸镁。更优选的，所述硅酸钠和硅酸镁的质量比为3-5：1。

15、更优选的，所述硅酸钠的模数为1-2.5。

16、优选的，所述硅微粉的粒径为1-100um。

17、优选的，所述稀释剂为聚乙二醇、二甲苯、丙酮、醋酸丁酯、醋酸异戊酯、乙二醇乙醚醋酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯、丙烯酸十八酯中的一种或几种的混合物。

18、为了使体系中的成分分散更均匀，增强润滑涂层涂覆时的均匀性，优选的，所述稀释剂为乙二醇丁醚醋酸酯和丙烯酸十八酯。更优选的，乙二醇丁醚醋酸酯和所述丙烯酸十八酯的质量比为5-8：1。

19、本发明另一方面提供一种用于航空紧固件丝材的耐高温高润滑涂层的制备方法，其具体步骤如下：将石墨、二硫化钼、碳化钼、硅粉、碳黑加入水中搅拌均匀，再加入硅酸盐和稀释剂，搅拌均匀，即得。

20、本发明第三方面提供一种耐高温高润滑涂层在航空紧固件丝材中的应用。用于航空紧固件丝材的加工中，润滑涂层能够起到有效的保护材料减小摩擦、润滑保护、抑制黏着磨损的效果。

21、本发明的润滑涂层，涂覆于丝材表面的厚度为4-8um。

22、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

23、本发明中通过使用特定比例的石墨、二硫化钼等材料，各原料之间共同作用，制得的润滑涂层具有优异的耐高温、高润滑的效果。涂层不仅在常温下粘结效果好，高温下仍能保持优异的粘结力且润滑性保持良好，将涂敷好的样丝在烘箱中(温度850℃)保温2min后取出检查，涂层完好无损，且没有变色剥落现象。