CN108893733B

CN108893733B - 一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法

Info

Publication number: CN108893733B
Application number: CN201810038619.XA
Authority: CN
Inventors: 解玄; 华希俊; 尹必峰; 张培耘
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2038-01-16
Also published as: CN108893733A

Abstract

本发明公开了一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法，涉及材料表面润滑减摩技术领域。本发明先利用激光热效应在金属基体表面加工出微凹坑织构，将基体进行抛光处理后预涂一层固体润滑粉末，然后再利用激光冲击形成的冲击波力效应对基体表面进行冲击强化处理，使得固体润滑剂填充至凹坑内，同时基体表面覆盖一层致密固体润滑涂层，摩擦副工作一段时间后，凹坑内固体润滑剂转移至凹坑间，基体表面固体润滑涂层得到进一步补充。本发明是一种新型表面涂层制备方法，可充分改善表面润滑状态，同时显著提高金属表面机械和力学性能。本发明工艺简单可靠，可实现自动化生产，适合工业化推广。

Description

一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法

技术领域

本发明涉及材料表面处理领域，特指一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法，其主要是利用激光热效应和激光力效应在基体表面形成一层致密的固体润滑涂层以增强表面力学性能和润滑性能。

背景技术

随着工业技术的不断发展，机械零部件服役工况越来越严苛，尤其是在航空、深海等领域，轴承等零件工作时处于无润滑油状态但工况又极为恶劣，极易发生摩擦磨损失效，因此需要进行表面固体润滑涂层处理。

激光表面微织构技术(LST技术)是近年来发展最为迅猛的一种表面形貌加工技术，具有加工效率高，非接触式加工，加工精度高，绿色无污染等特点。激光表面织构技术可在基体表面加工出规则分布的凹坑形貌，为表面固体润滑涂层提供了一种新思路：微凹坑可作为固体润滑剂储存单元，且当摩擦副工作一段时间后，凹坑内部分润滑剂会转移至凹坑间，形成一层致密的润滑涂层。

中国专利：一种轴承的激光微造型自润滑处理方法(CN201110148420.0)，一种金属塑性成形模具织构化自润滑处理方法(CN201110148422.X)，一种刀具表面抗粘减摩微镶嵌复合织构的制备方法(CN201310022645.0)提出了在轴承、模具、刀具表面进行激光微织构加工，然后运用机械填充以及热压固化的方法将固体润滑剂嵌入微凹坑中的方法。运用机械填压的方法存在工序繁琐、效率较低、基体加热易回火、不适合复杂表面处理等缺点。

激光冲击强化(LSP)是指利用高能量短脉冲激光诱导冲击波在瞬间形成巨大压强，与基体作用可提高材料表面力学性能。中国专利：激光热力复合诱导纳米颗粒增强复合薄膜的制备方法(CN201310065845.4)提出了在基体表面浸涂纳米陶瓷颗粒悬浮液，利用激光照射基体表面产生微熔，再利用激光冲击在表面形成纳米复合薄膜。该发明中没有提及微凹坑存储固体润滑颗粒的思路。

本发明提出一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法，主要是利用激光热效应加工出规则的微凹坑形貌，然后在利用激光力效应将纳米固体润滑粉末完全填充至凹坑内和基体表面，形成一层致密固体润滑涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体润滑涂层制备方法，利用激光热效应加工出规则的微凹坑形貌，然后再利用激光力效应将纳米固体润滑粉末完全填充至凹坑内和基体表面，形成一层致密固体润滑涂层。主要用于解决航空发动机轴承等无油润滑零件摩擦磨损失效问题，同时激光冲击表面可增强表面力学性能，提高零件使用寿命。

实现本发明的技术方案如下：

1.对基体表面进行抛光处理，保证基体表面粗糙度Ra<0.1μm。

2.采用SPI光纤纳秒激光器进行激光表面微织构加工，激光波长1064nm，激光器光束质量M²<1.1，光斑直径不大于0.5mm。功率为30-100W，脉宽为5-20000ns，采用同点间隔循环多次方式加工，重复次数为5-15次。所加工织构形貌为凹坑，直径50-200μm，深度 10-50μm，织构密度20-50％。

3.采用抛光机对基体表面进行抛光处理，去除激光热效应产生的熔渣、飞边。

4.在基体表面涂覆一层固体润滑剂，对固体润滑剂进行预压操作。其中，固体润滑剂包含Gr(纳米)、MoS₂(纳米)、CNTs、WS₂(纳米)等固体润滑粉末以及纳米铟粉、纳米镍粉等金属粉末，固体润滑剂覆盖表面厚度为10μm-2mm。

5.在基体表面涂上黑漆形成吸收层，包裹住涂有固体润滑剂的基体，采用水或K8玻璃作为约束层。

6.采用纳秒激光器进行激光冲击，激光功率密度为10⁵-10⁸W/cm²，脉宽1-100ns，搭接率5-95％，工作台移动速度0.1-100mm/s。利用激光冲击形成的巨大压力可将固体润滑粉末和金属粉末充分填充至微尺度凹坑中，且通过调节激光冲击参数可调节填充压力从而实现不同尺度凹坑、不同厚度涂层的填充需求。

经过激光冲击处理后，基体凹坑内固体润滑剂填充率为75％-90％。基体表面形成一层致密固体润滑涂层，厚度为0.5μm-1mm。摩擦副工作一段时间后，凹坑内部分固体润滑剂会转移至凹坑间，基体表面固体润滑涂层稳定后厚度为2μm-1mm。

本发明的应用对象包含轴承、齿轮、发动机柱塞泵、气门挺杆等零件表面。

本发明针对极端工况下工作的零件表面固体润滑涂层的需求，提出一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法。其有益效果在于：

1.本发明所述织构固体润滑涂层属于一种自润滑涂层，凹坑中所存储固体润滑剂在摩擦副工作过程中会不断挤压出形成一层致密的润滑涂层，保证零件处于充分润滑的工作环境中。

2.本发明所述热力耦合织构固体润滑涂层制备方法，运用激光加工的方法同时实现激光微织构加工和固体润滑剂填压成膜的过程，替代了机械填压和热压固化的方法，操作更为简单、可靠，更加易于工业化推广。

3.本发明所述固体润滑涂层可有效解决高温等特殊工况下的润滑磨损问题，特别适用于发动机气门挺杆等高温工况下的零部件表面。

4.本发明利用激光冲击的力效应将固体润滑粉末和金属粉末充分填充至微尺度凹坑中，通过控制激光参数可调节激光冲击压强，适于不同的摩擦副零件表面的涂层制备，更为柔性化。

5.激光冲击作用后的零件表面力学性能也将得到提高，寿命、可靠性进一步增强。

附图说明

图1为激光表面加工凹坑三维形貌图。

图2为固体润滑剂覆盖基体表面示意图。

图3为激光冲击涂层示意图。

图4为激光冲击后表面二维形貌图。

图中，1，基体；2，微凹坑；3，固体润滑剂；4，吸收层；5，约束层；6，激光束； 7，激光头。

具体实施方式

实例例一。

1.对轴承基体表面进行抛光处理，保证基体表面粗糙度Ra低于0.1μm。运用SPI纳米光纤激光器在表面进行激光微织构处理，织构形貌为凹坑，凹坑参数为直径100μm，深度20μm，织构密度30％。激光参数为功率为50W，脉宽为500ns，采用同点间隔循环多次方式加工，重复次数为10次。凹坑形貌如图1所示。用抛光机对基体进行后处理，去除熔渣、飞边。

2.在基体表面预涂一层固体润滑粉末，粉末为Gr(纳米)：MoS2(纳米)：CNTs按 4:1:0.4混合而成。固体润滑剂覆盖表面厚度为100μm。示意图如图2所示。

3.在基体表面涂上黑漆形成吸收层，包裹住涂有固体润滑剂的基体，采用水或K8玻璃作为约束层。

4.运用纳秒光纤激光器对基体进行冲击处理，激光参数为功率密度为10⁶W/cm²，脉宽 10ns，搭接率70％，工作台移动速度50mm/s。激光冲击涂层形成过程如图4所示。

5.激光冲击后凹坑内固体润滑剂填充率为80％，凹坑间形成一层致密固体润滑涂层，厚度为10μm，轴承工作一段时间后，凹坑内固体润滑剂转移到基体表面，固体润滑涂层稳定后厚度为20μm。如图4所示。

实例例二。

1.对发动机柱塞泵基体表面进行抛光处理，保证基体表面粗糙度Ra低于0.1μm。运用 SPI纳米光纤激光器在表面进行激光微织构处理，织构形貌为凹坑，凹坑参数为直径50μm，深度10μm，织构密度20％。激光参数为功率为30W，脉宽为100ns，采用同点间隔循环多次方式加工，重复次数为5次。示意图如图1所示，凹坑形貌如图2所示。用抛光机对基体进行后处理，去除熔渣、飞边。

2.在基体表面预涂一层固体润滑粉末，粉末为纳米铟粉、纳米镍粉按：1：1混合而成。固体润滑剂覆盖表面厚度为0.5μm。示意图如图3所示。

4.运用纳秒光纤激光器对基体进行冲击处理，激光参数为功率密度为10⁵W/cm²，脉宽 1ns，搭接率50％，工作台移动速度5mm/s。激光冲击涂层形成过程如图4所示。

5.激光冲击后凹坑内固体润滑剂填充率为75％，凹坑间形成一层致密固体润滑涂层，厚度为0.5μm，轴承工作一段时间后，凹坑内固体润滑剂转移到基体表面，固体润滑涂层稳定后厚度为2μm。如图4所示。

实例例三。

1.对发动机气门挺杆表面进行抛光处理，保证基体表面粗糙度Ra低于0.1μm。运用SPI纳米光纤激光器在表面进行激光微织构处理，织构形貌为凹坑，凹坑参数为直径 200μm，深度50μm，织构密度50％。激光参数为功率为100W，脉宽为2000ns，采用同点间隔循环多次方式加工，重复次数为15次。示意图如图1所示，凹坑形貌如图2所示。用抛光机对基体进行后处理，去除熔渣、飞边。

2.在基体表面预涂一层固体润滑粉末，粉末为Gr(纳米)：MoS2(纳米)：CNTs： WS₂(纳米)：纳米铟粉、纳米镍粉按4:1:0.4：1：1：1混合而成。固体润滑剂覆盖表面厚度为2mm。示意图如图3所示。

4.运用纳秒光纤激光器对基体进行冲击处理，激光参数为功率密度为10⁸W/cm²，脉宽100ns，搭接率95％，工作台移动速度100mm/s。激光冲击涂层形成过程如图3所示。

5.激光冲击后凹坑内固体润滑剂填充率为90％，凹坑间形成一层致密固体润滑涂层，厚度为100μm，轴承工作一段时间后，凹坑内固体润滑剂转移到基体表面，固体润滑涂层稳定后厚度为200μm。如图4所示。

实例例四。

1.对锻造模具表面进行抛光处理，保证基体表面粗糙度Ra低于0.1μm。运用SPI纳米光纤激光器在表面进行激光微织构处理，织构形貌为凹坑，凹坑参数为直径100μm，深度30μm，织构密度40％。激光参数为功率为100W，脉宽为2000ns，采用同点间隔循环多次方式加工，重复次数为10次。凹坑形貌如图1所示。用抛光机对基体进行后处理，去除熔渣、飞边。

2.在基体表面预涂一层固体润滑粉末，粉末为Gr(纳米)：MoS2(纳米)：CNTs： WS₂(纳米)：纳米铟粉、纳米镍粉按4:1:0.4：1：1：1混合而成。固体润滑剂覆盖表面厚度为2mm。示意图如图2所示。

4.运用纳秒光纤激光器对基体进行冲击处理，激光参数为功率密度为10⁷W/cm²，脉宽 70ns，搭接率5％，工作台移动速度0.1mm/s。激光冲击涂层形成过程如图3所示。

5.激光冲击后凹坑内固体润滑剂填充率为90％，凹坑间形成一层致密固体润滑涂层，厚度为100μm，模具工作一段时间后，凹坑内固体润滑剂转移到基体表面，固体润滑涂层稳定后厚度为200μm。如图4所示。

Claims

1.一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法，其特征在于，利用激光热效应在基体表面形成微凹坑，然后在表面涂覆一层固体润滑剂，再利用激光力效应冲击表面，在表面凹坑内和凹坑间均形成一层致密的固体润滑涂层；具体步骤为：

A）对基体表面进行抛光处理，使表面粗糙度Ra<0.1μm，用酒精清洗基体表面，使表面清洁；

B）采用SPI光纤纳秒激光器对基体进行微凹坑加工；激光微凹坑加工所用激光参数为：激光波长1064nm，激光器光束质量M²<1.1，光斑直径不大于0.5mm，功率为30-100W，脉宽为5-20000ns，采用同点间隔循环多次加工方法，重复次数为5-15次；激光加工的凹坑大小为直径50-200μm，深度10-50μm，织构密度20-50%；

C）采用抛光机对基体表面进行抛光处理，去除激光热效应产生的熔渣；

D）在基体表面涂覆一层固体润滑剂，对固体润滑剂进行预压；

E）在基体表面涂上黑漆形成吸收层，包裹住涂有固体润滑剂的基体，采用水或K8玻璃作为约束层，利用纳秒激光器进行冲击处理，使基体凹坑内和表面均完全形成一层致密固体润滑涂层；激光冲击所用激光工艺参数为：激光功率密度为10⁵-10⁸W/cm²，脉宽1ns-100ns，搭接率5-95%，工作台移动速度0.1-100mm/s。

2.根据权利要求1所述的一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法，其特征在于，所述基体材料为金属材料或合金材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法，其特征在于，所述固体润滑剂包含纳米Gr、纳米MoS₂、CNTs、纳米WS₂固体润滑粉末和纳米铟粉、纳米镍粉金属粉末，固体润滑剂覆盖表面厚度为10μm-2mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种激光热力耦合织构固体润滑涂层制备方法，其特征在于，所述基体材料为铸铁或钢。