CN107142476A - 自润滑耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

自润滑耐磨涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种自润滑耐磨涂层及其制备方法，该自润滑耐磨涂层由耐磨单元和自润滑单元两种不同的涂层单元组成；耐磨单元与自润滑单元在基材表面间隔设置，且相邻两种涂层单元之间相互耦合；当自润滑耐磨涂层受到外物磨擦时，耐磨单元抵御磨损效应，提高自润滑耐磨涂层的耐磨性，而自润滑单元能够产生自润滑效应，降低自润滑耐磨涂层的摩擦系数。本发明提出的自润滑耐磨涂层及其制备方法，其中的自润滑耐磨涂层的耐磨单元和自润滑单元间隔设置，通过调整自润滑单元的形态和分布可以控制润滑方向和优化涂层润滑性能，而且自润滑效果稳定，避免现有的高能束制备自润滑耐磨涂层时因出现冶金反应影响自润滑耐磨涂层润滑效果的情况。

Description

自润滑耐磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及到涂层领域，特别是涉及到一种自润滑耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
在航空航天、先进汽车制造、食品和制药等特殊工业领域中，很多摩擦部件需要在高真空、高温、高载荷或高清洁等苛刻环境下运行，这使得普通材料和传统润滑方式(润滑油或润滑脂)难以满足使用要求。因此，具有高耐磨、低摩擦且环境友好的自润滑耐磨涂层的发展为这些领域的机件磨损和润滑问题提供了良好的解决方案。在众多涂层制备技术中，高能束表面涂层技术因其涂层结合强度高、对基材的热影响、工艺柔性高和绿色环保等优势，受到众多关注和青睐。
目前主流的高能束制备自润滑耐磨涂层的方法主要是以表面熔覆工艺为主，其技术原理是利用高能束将涂层材料(涂层基体、强化介质和固体润滑剂的均匀混合粉末)快速熔化、沉积在基材表面，并与基材表面薄层形成共熔，通过基材的快速自冷凝固形成具有高耐磨、低摩擦性能的功能涂层。高能束加工过程中，涂层熔池内发生一系列复杂的物理、化学变化，并在凝固后形成具有多相复合结构的金属基涂层，其中增强颗粒和固体润滑剂则以第二相的形式弥散分布于涂层基体当中。
高能束制备自润滑耐磨涂层的方法主要有以下缺陷：
固体润滑剂在高温的激光熔池中容易发生过热分解及烧蚀现象；
固体润滑剂容易与涂层其他组分发生冶金反应，生成新物质，从而使润滑效果受损；
固体润滑剂形成的自润滑相在涂层中的形态和分布不可控，例如密度较低的化合物自润滑相趋于表面上浮；而密度相对较高的软金属自润滑相容易发生偏析；
涂层制备技术受限于加工原理，无法实现这种复杂三维结构的构建。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种润滑方向和效果可控的自润滑耐磨涂层及该自润滑耐磨涂层的制备方法。
本发明提出一种自润滑耐磨涂层，由耐磨单元和自润滑单元两种不同的涂层单元组成；耐磨单元与自润滑单元在基材表面间隔设置，且相邻的两种涂层单元之间相互耦合；当自润滑耐磨涂层受到外物磨擦时，耐磨单元抵御磨损效应，而自润滑单元产生自润滑效应，降低自润滑耐磨涂层的磨擦系数。
进一步地，自润滑单元分布形式包括条形分布、网格形分布或蜂窝形分布。
进一步地，耐磨单元包括耐磨基体和耐磨增强介质，耐磨增强介质为颗粒状；耐磨增强介质的颗粒弥散分布于耐磨基体中，增强耐磨单元的耐磨强度。
进一步地，耐磨基体为高性能耐磨合金。
进一步地，耐磨增强介质为高硬度陶瓷颗粒。
进一步地，自润滑单元包括自润滑基体和自润滑强化介质，自润滑强化介质为颗粒状；自润滑强化介质的颗粒弥散分布于自润滑基体中，增强自润滑单元的润滑效果。
进一步地，自润滑基体为低熔点的软金属或其合金，连接自润滑强化介质且增强润滑效果。
进一步地，自润滑强化介质为固体润滑剂颗粒。
还提出了一种自润滑耐磨涂层的制备方法，自润滑耐磨涂层包括耐磨单元和自润滑单元，制备方法包括：
将自润滑耐磨涂层设计的加工轨迹规划，转换为激光3D打印系统能够识别的加工数据格式；
根据加工数据将耐磨单元和自润滑单元按照加工轨迹通过激光3D打印到涂层覆盖位置。
进一步地，将自润滑耐磨涂层设计的加工轨迹规划，转换为激光3D打印系统能够识别的加工数据格式的步骤之前还包括：
配比涂层的材料成分，材料成分包括耐磨单元及自润滑单元的材料成分组成和配比；
确定自润滑耐磨涂层的结构形式，并确定结构参数；
采用三维绘图软件构建自润滑耐磨涂层的CAD模型。
本发明自润滑耐磨涂层及其制备方法，其中的自润滑耐磨涂层的耐磨单元和自润滑单元间隔设置，通过调整自润滑单元的形态和分布可以控制润滑方向和优化涂层润滑性能，而且自润滑效果稳定，避免现有的高能束制备自润滑耐磨涂层时因出现冶金反应影响自润滑耐磨涂层润滑效果的情况。
附图说明
图1是本发明自润滑耐磨涂层一实施例的结构示意图；
图2是本发明自润滑耐磨涂层另一实施例的结构示意图；
图3是本发明自润滑耐磨涂层第三实施例的结构示意图；
图4是本发明自润滑耐磨涂层多层叠加时一实施例的结构示意图；
图5是本发明自润滑耐磨涂层组成的结构示意图；
图6是本发明自润滑耐磨涂层的制备方法一实施例的步骤示意图；
图7是本发明自润滑耐磨涂层的制备方法另一实施例的步骤示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，自润滑耐磨涂层一实施例由耐磨单元1和自润滑单元2两种不同的涂层单元组成；耐磨单元1和自润滑单元2分别设有多个；耐磨单元1与自润滑单元2在基材表面间隔设置，且相邻的耐磨单元1与自润滑单元2两种涂层单元之间相互耦合；当自润滑耐磨涂层受到外物磨擦时，耐磨单元1抵御磨损效应，提高自润滑耐磨涂层的耐磨性，自润滑单元2产生自润滑效应，降低自润滑耐磨涂层的磨擦系数。自润滑单元2分布形式包括条形分布、网格形分布、蜂窝形分布或根据实际零件工作要求而优化设计的拓扑结构分布。
参照图1，在自润滑单元2条形分布时，耐磨单元1也是条形分布，自润滑单元2可以在条形的自润滑单元2的宽度方向上起到自润滑作用。
参照图2，在自润滑单元2网格形分布时，耐磨单元1填充在网格内，在构成网格的自润滑单元2边的横向上，自润滑单元2起到自润滑作用，其自润滑方向为两对共四个方向。
参照图3，在自润滑单元2蜂窝形分布时，耐磨单元1填充在蜂窝的网格内，在构成蜂窝网格的自润滑单元2边的横向上，自润滑单元2起到自润滑作用，其自润滑方向为三对共六个方向。
仿生学的相关研究表明，自然界中的一些生物结构往往表现出优异的性能。以贝类生物外壳为例，贝壳在微观下呈砖墙式结构，主体成分中脆硬的矿物质板块通过极具韧性的原生质薄层进行连接形成三维耦合结构，这种构造机制使贝壳的获得了远高于纯矿物质材料的力学性能。如果将这种三维结构耦合机制引入到涂层制造领域当中，将会显著提升涂层的综合性能。
参照图4，自润滑耐磨涂层可以多层叠加，构成砖墙式结构，能够获得了远高于单纯涂层材料的力学性能的涂层；实现具备优良力学性能的三维仿生涂层的构建。
参照图5，耐磨单元1包括耐磨基体11和耐磨增强介质12，耐磨增强介质12为颗粒状；耐磨增强介质12的颗粒弥散分布于耐磨基体11中，增强耐磨单元1的耐磨强度。
耐磨基体11为高性能耐磨合金。例如：铁基、镍基或钴基等高硬度、高耐磨的自熔合金，可以起到粘结增强耐磨增强介质12和支撑载荷的作用
耐磨增强介质12为高硬度陶瓷颗粒。例如：碳化钛、氧化铝或氮化钛等颗粒，起到进一步增强硬度和耐磨性的作用。
自润滑单元2包括自润滑基体21和自润滑强化介质22，自润滑强化介质22为颗粒状；自润滑强化介质22的颗粒弥散分布于自润滑基体21中，增强自润滑单元2的润滑效果。
自润滑基体21为低熔点的软金属或其合金，连接自润滑强化介质22且增强润滑效果。自润滑基体21为低熔点的软金属或其合金，例如：Cu、Sn、Pb、Ag、CuSn等，可以起到自润滑和粘结自润滑强化介质22的作用。
自润滑强化介质22为固体润滑剂颗粒。例如：MoS2、CaF2、WS2、h-NB或石墨等，其主要作用是进一步增强自润滑效果
参照图6，还提出了一种自润滑耐磨涂层的制备方法，自润滑耐磨涂层包括耐磨单元和自润滑单元，制备方法包括：
S10、将自润滑耐磨涂层设计的加工轨迹规划，转换为激光3D打印系统能够识别的加工数据格式；
S20、根据加工数据将耐磨单元1和自润滑单元2按照加工轨迹通过激光3D打印到涂层覆盖位置。
在上述步骤S10中，加工轨迹可以是先加工耐磨单元1后加工自润滑单元2；也可以相反，先加工自润滑单元2后加工自润滑单元2。
在上述步骤S20中，在激光3D打印耐磨单元1和自润滑单元2时，相邻的耐磨单元1和自润滑单元2相耦合。
参照图7，在步骤S10之前还包括：
S3、配比设计涂层的材料成分，材料成分包括耐磨单元1及自润滑单元2的材料成分组成和配比；
S4、确定设计自润滑耐磨涂层的结构形式，并确定结构参数；
S5、采用三维绘图软件构建自润滑耐磨涂层的CAD模型。
在上述步骤S3中，可以根据不同的工作需求调整自润滑耐磨涂层的分布以及耐磨单元1和自润滑单元2组成材料的设计方案，以应对不同的磨擦方向和摩擦强度。
在上述步骤S4中，得到具体的自润滑耐磨涂层的设计参数，为步骤S5提供具体参数。
在上述步骤S5中，通过辅助软件，设计出要加工的自润滑耐磨涂层模拟立体图，并最终确定加工参数。加工参数包括耐磨单元1的形状、大小及分布，自润滑单元2的形状、大小及分布，加工顺序及轨迹等等。
本发明自润滑耐磨涂层及其制备方法，其中的自润滑耐磨涂层的耐磨单元1和自润滑单元2间隔设置，通过调整自润滑单元2的形态和分布可以控制润滑方向和优化涂层润滑性能，而且自润滑效果稳定，避免现有的高能束制备自润滑耐磨涂层时因出现冶金反应影响自润滑耐磨涂层润滑效果的情况。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种自润滑耐磨涂层，其特征在于，由耐磨单元和自润滑单元两种不同的涂层单元组成；
所述耐磨单元与所述自润滑单元在基材表面间隔设置，且相邻的两种所述涂层单元之间相互耦合；
当所述自润滑耐磨涂层受到外物磨擦时，所述耐磨单元抵御磨损效应，而所述自润滑单元产生自润滑效应，降低自润滑耐磨涂层的磨擦系数。
2.根据权利要求1所述的自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述自润滑单元分布形式包括条形分布、网格形分布或蜂窝形分布。
3.根据权利要求1所述的自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述耐磨单元包括耐磨基体和耐磨增强介质，所述耐磨增强介质为颗粒状；
所述耐磨增强介质的颗粒弥散分布于所述耐磨基体中，增强所述耐磨单元的耐磨强度。
4.根据权利要求3所述的自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述耐磨基体为高性能耐磨合金。
5.根据权利要求3所述的自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述耐磨增强介质为高硬度陶瓷颗粒。
6.根据权利要求1所述的自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述自润滑单元包括自润滑基体和自润滑强化介质，所述自润滑强化介质为颗粒状；
所述自润滑强化介质的颗粒弥散分布于所述自润滑基体中，增强所述自润滑单元的润滑效果。
7.根据权利要求6所述的自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述自润滑基体为低熔点的软金属或其合金，连接所述自润滑强化介质且增强润滑效果。
8.根据权利要求6所述的自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述自润滑强化介质为固体润滑剂颗粒。
9.一种自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述自润滑耐磨涂层包括耐磨单元和自润滑单元，所述制备方法包括：
将自润滑耐磨涂层设计的加工轨迹规划，转换为激光3D打印系统能够识别的加工数据格式；
根据加工数据将所述耐磨单元和自润滑单元按照加工轨迹通过激光3D打印到涂层覆盖位置。
10.根据权利要求9所述的自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述将自润滑耐磨涂层设计的加工轨迹规划，转换为激光3D打印系统能够识别的加工数据格式的步骤之前还包括：
配比涂层的材料成分，所述材料成分包括耐磨单元及自润滑单元的材料成分组成和配比；
确定所述自润滑耐磨涂层的结构形式，并确定结构参数；
采用三维绘图软件构建所述自润滑耐磨涂层的CAD模型。
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