CN202054882U - 一种低摩擦耐磨涂层 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种低摩擦耐磨涂层，以镍铬铝钇复合粉、La2O3和WS2润滑剂作为复合涂层并采用超音速等离子热喷涂设备喷涂形成网络骨架结构的涂层表层，涂层表面有激光微造型。在高温环境下具有低而稳定的摩擦系数（达到10-3级），表面涂层既有低摩擦又可实现高耐磨，可满足许多苛刻工况条件工作的零部件等对高效、环保耐磨涂层的需求。

Description

一种低摩擦耐磨涂层
技术领域
本实用新型涉及一种低摩擦耐磨涂层，满足航空航天、空间技术的发展，以及许多苛刻工况条件工作的零部件等对高效、环保的自润滑耐磨涂层的需求。
背景技术
摩擦磨损是造成零部件失效的重要原因，而摩擦磨损过程主要发生在材料的表面，在材料表面制备硬质耐磨涂层可以改善材料的耐磨性，但随着表面硬度提高，摩擦偶件的磨损增加，使摩擦副的寿命降低，理想的表面涂层应该是既有高硬度又可实现低摩擦。
等离子喷涂技术和激光技术是现代表面工程技术群中的主要技术，而等离子喷涂技术与激光技术的复合更是体现了两种技术的优势互补。超音速喷涂粒子速度可达400-600m/s，获得的涂层致密，涂层的内聚强度和结合强度高，为新一代耐高温、抗磨损、低摩擦系数的等离子涂层提供了技术支撑，而激光织构化技术是在涂层表面形成有规律的人造表面形貌，能显著提高涂层耐磨减摩性能。① 在一定程度上都能够减小界面接触面积、阻力和粘附，② 可以起到捕捉磨粒而减少犁沟形成，③ 激光与涂层表面相互作用时会产生表面硬化，对所形成的表面形貌起到保护作用，④ 微孔(槽)可以作为储油（脂）槽，为边界润滑提供润滑或为刚启动的摩擦表面提供润滑；⑤ 并可消除或部分消除由超音速火焰喷涂涂层的松弛和内应力。
低摩擦系数固体润滑涂层在许多领域得到了广泛应用，纵观近二十多年以来的期刊和文献报道，至今还没有一种固体润滑耐磨涂层在高温环境下具有稳定的摩擦系数（达到10-3级）和较低的磨损率。在此以前，低摩擦润滑耐磨涂层的制备工艺方法主要集中在等离子体增强化学气相沉积、非平衡磁控溅射和等离子喷涂(摩擦系数相对较高)，每种表面涂层制备方法或改性技术都存在各自的局限性，不能满足高硬度低摩擦的要求。
发明内容
本实用新型的目的旨在提供一种低摩擦耐磨涂层，在高温环境下具有高耐磨低摩擦系数的特性。
为实现本实用新型目的，本实用新型所提供的一种低摩擦耐磨涂层，其特征在于：以镍铬铝钇复合粉、La2O3和WS2润滑剂作为复合涂层并采用超音速等离子喷涂设备喷涂形成网络骨架结构的涂层表层，沿深度方向有梯度结构，沿表面方向有各向异性层叠结构，涂层表面有激光微造型。
在润滑耐磨涂层表面制备微细形貌改善了涂层的摩擦学性能，涂层表面的纹理密度、走向和图案形状、尺寸分布等特征将影响接触应力及压力分布形态；沿深度方向的梯度结构将提高涂层的接合强度和承载能力，沿表面方向的各向异性层叠结构将改变表面的接触应力分布、实现润滑和抗磨的协同作用，这些表面构造都会产生特殊的润滑抗磨效果，因此，运用润滑涂层表层结构与涂层表面微造型的协同作用，能降低涂层摩擦系数而同时具有良好耐磨性。
本实用新型结合超音速喷涂技术、涂层组织结构和表面微造型技术，获得表面涂层组织结构致密、均匀，并充分发挥涂层表层润滑相和涂层表面的纹理耦合的低摩擦效能，制备低摩擦耐磨涂层，同时保持涂层表层网络骨架能有效提高材料的强度，达到高耐磨的效果。
附图说明
图1为本实用新型的涂层表层组合结构示意图；
图2为本实用新型的涂层表面微造型结构示意图；
图3为本实用新型的涂层复合WS2润滑膜结构示意图。
具体实施方式
具体实施包括两个步骤。首先制备较低摩擦系数的润滑耐磨涂层。本实用新型的制备低摩擦润滑耐磨涂层首先根据固体润滑的基本原理、固体润滑涂层的组成原则和基本设计依据，对润滑耐磨涂层进行组成设计和工艺设计。纳米WC在高温下具有较好的减摩润滑作用，同时能够有效地强化镍铬铝钇合金基体，稀土化合物La2O3能够起到细化晶粒和组织致密的效果，而WS2在高温环境下是具有稳定摩擦性能的固体润滑材料，而且能够提高涂层的硬度和高温耐蚀性能。因而，以镍铬铝钇复合粉＋La2O3＋WS2作为复合涂层并采用超音速喷涂技术制备的喷涂在高温环境下可制备较低摩擦系数的润滑耐磨涂层。
附图中，1为WS2润滑膜，2为镍铬铝钇复合粉加La2O3基体，3为WS2润滑剂，4为表面微造型。
润滑剂含量中等，镍铬铝钇复合粉＋La2O3基体能形成网络骨架结构，将WS2润滑剂有机地包覆在其中，如图1所示，且WS2润滑剂能在摩擦面形成有效的润滑膜，此种状态下，摩擦系数较小，材料强度中等。这种自润滑涂层的网络骨架能有效提高材料的强度，在摩擦下，基体能承载较大载荷，固体润滑剂在摩擦热和应力作用下大量析出，在摩擦表面形成润滑膜，从而减小摩擦。不同的固体润滑涂层组成其摩擦学特性有所波动。
试验用基体材料为GCr15，喷涂粉末为镍铬铝钇复合粉、La2O3和WS2润滑剂，采用机械混粉方式将所选定的合金粉末与润滑剂均匀混合，采用装备再制造国防科技重点试验室自行研制的高效能超音速等离子喷涂系统（HEPJet）进行减摩耐磨涂层的热喷涂成形。喷涂前，试样表面先用汽油和酒精清洗，然后用棕刚玉喷砂。喷涂后，先对喷涂层进行磨削和抛光处理，再用超声波酒精清洗。其喷涂工艺见表1。
表1喷涂工艺参数
喷涂材料 电弧电压/V 电弧电流/A 喷涂功率/KW 喷涂距离/mm
KF-301＋La2O3＋WS2 115 240 36.52 100
然后在预涂层表面进行激光微造型，在预涂层表面进行正六边形(近鳞片型) 造型。激光微造型采用德国LUMERA公司生产的Rapid激光器，具有皮秒级脉宽、uJ级的中等脉冲能量和非常高的重复频率。Rapid是一种高效率的二级管泵浦Nd：YVO4皮秒激光器。加工参数为：RAPID，10Ps，1064nm；平均功率0.8w；偏振：圆形；重复频率：500KHz；加工时间：加工区域的加工时间为285s。图2显示加工表面形貌整体外形。不同的微造型纹理其摩擦学特性有所波动。
本涂层具有低摩擦耐磨的效应是基于超音速喷涂粒子速度可达400-600m/s，获得的涂层致密，涂层的内聚强度和结合强度高。涂层在与对摩件摩擦时，在摩擦区域能明显的形成一层固体润滑膜，如图3所示。而未摩擦区域则没有润滑膜的存在。这是由于在摩擦过程中，固体润滑剂WS2与基体材料之间存在着不同的热膨胀系数，所以在热应力等作用下，WS2固体润滑剂能够析出，并且固体润滑剂具有低的剪切模量和强度，容易拖覆在摩擦表面形成润滑膜，阻碍了金属之间的直接接触，避免了粘着。而弥散分布在基体中的硬质相合金增大了涂层材料的整体硬度。正是这层固体润滑膜的产生导致复合润滑涂层具有较低的摩擦系数，并能有效提高涂层耐磨性能。固体润滑膜的自修复作用。随着摩擦时间的延长，表面固体润滑膜存在破损和损耗现象。正常低磨损阶段，复合涂层依靠本身所含WS2的“自耗”来不断补充和提供固体润滑剂，修复被撕裂或脱落的润滑膜，从而达到一种动态平衡，使固体润滑膜持续起润滑和减摩作用。
本实用新型低摩擦耐磨涂层具有以下特点：
① 在高温环境下具有低而稳定的摩擦系数（达到10-3级）
② 表面涂层既有低摩擦又可实现高耐磨。

Claims (2)

1.一种低摩擦耐磨涂层，其特征在于：以镍铬铝钇复合粉、La2O3和WS2润滑剂作为复合涂层并采用超音速等离子热喷涂设备喷涂形成网络骨架结构的涂层表层，沿深度方向有梯度结构，沿表面方向有各向异性层叠结构，涂层表面有激光微造型。
2.根据权利要求1所述的低摩擦耐磨涂层，其特征是所述激光微造型为规则排列的正六边形。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106838076A (zh) * 2016-12-13 2017-06-13 杭州电子科技大学 一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘及制造方法
CN108760553A (zh) * 2018-07-20 2018-11-06 东华大学 一种快速测试自润滑钢板冷变形加工后耐蚀性的方法
CN108775337A (zh) * 2018-08-20 2018-11-09 西南石油大学 一种表面涂层织构化的钻头滑动轴承

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