一种多层纳米晶结构WCoAlBNb基机械臂球接头复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦学设计及其制备方法，属于机械臂、机械关节等机械工程技术领域一项创新性研究，能够代替传统机械臂球接头材料实现高温高压等极端环境下的良好润滑性能。

背景技术：

目前用作工业机械臂球接头合金材料有以下性能要求：较高的强度、优异的耐磨性、良好的包容性、较好的弹塑性和强韧性配合以及对机械臂具有明显的减振作用【谷勇霞，江崔颖，张玉玲，钟文，3种材料在柔性机械臂振动抑制中的特性对比，机床与液压，2019,47(5):96-101】。机械臂球接头在工作过程中还受到化学介质，例如润滑剂、添加剂、有机溶剂和冷却剂等交互作用。通常用作机械臂球接头材料的有钢球材料、有色金属材料、非金属球节材料。【高伟亚，张俊俊，袁蕾舒，探测机器人机械臂的振动分析与结构优化，西南科技大学学报,2018,33(03):85-90】。在工作过程中机械臂球接头与球关节之间只有形成一层很薄的润滑油膜才能起到良好的减摩抗磨效果。然而在实际服役过程中工况环境以及一些偶然因素而导致机械臂球接头不能满足良好的流体润滑条件，球接头与球关节通过接触面间的直接滑动来传递动力与能量。机械臂在长时间运动时，球接头在巨大扭力、冲击、振动以及较大滑动摩擦作用下，会产生巨大的表面温度，在力和热共同作用下会导致球关节产生过大的摩擦磨损，严重时会造成球关节及球接头永久性磨损失效，直接影响着机械臂使用寿命和服役精度。

技术实现要素：

针对上述技术不足，本发明提供一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦学设计及其制备方法，在满足高强度、高硬度、优异耐磨性、良好包容性、较好弹性与韧性且具有明显减振抗冲击前提下，一种多层纳米晶结构复合材料可在高温、高压等极端条件下实现油、脂无法达到的润滑效果，以此提高保持架使用精度与服役寿命，为航空航天、高端制造装备等机械臂球接头摩擦学设计与制备提供研究方法与技术指导。

本发明涉及一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦学设计及其制备方法，目的是为解决无油无脂润滑条件下机械臂球接头摩擦磨损问题，所采用技术方案可描述如下:

一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料，它是以基体wcoalbnb，软金属cusnagznsb和多元复合调控剂为原料，通过逐层设计、分层配比、逐层制备与叠加成型等工艺流程，制备出一种以wcoalbnb为基体的机械臂球接头多层纳米晶结构复合材料。

一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料制备过程具体方法包括如下几个步骤:

一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料及其制备方法，其特征在于：它是以基体wcoalbnb，软金属cusnagznsb和多元复合调控剂为原材料，通过逐层设计、分层配比、逐层制备与叠加成型等工艺，制备出一种以wcoalbnb为基体的机械臂球接头多层纳米晶结构复合材料。

步骤1)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料及其制备方法，其特征在于：基体是由w、co、al、b、nb、si、b和y元素组成，对应各元素质量比为(70-80):(5-15):(4-7):(3-6):(2-4):(0.32-0.46):(0.2-0.4):(0.2-0.5)；软金属cusnagznsb各元素质量比为(30-38):(23-27):(23-28):(15-18):(7-10)。

步骤1)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料，它是由金属基体、摩擦膜过渡层、摩擦膜支撑层与摩擦膜接触层组成，其厚度比为(45-70):(18-29):(10-12):(5-8)。

步骤3)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料，其多层纳米晶结构各层组分不同：金属基体为纯的wcoalbnb基合金；摩擦膜过渡层包括wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb和多元复合调控剂，质量比为(30-40):(40-50):(20-24)；摩擦膜支撑层包括wcoalbnb基体，cusnagznsb和多元复合调控剂，质量比为(10-15):(10-13):(72-80)；摩擦膜接触层包括wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb和多元复合调控剂，对应质量比为(3-5):(40-45):(50-57)。

步骤4)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料，其多元复合调控剂在各层结构组分配比不同：在摩擦膜过渡层多元复合调控剂包括17.6-19％陶瓷纤维、4.4-6.3％碳纤维、4.4-9.5％碳化钽、13.2-14.5％碳化铌、11.4-12％碳化硅、8.8-9.5％碳化钛、7-9.5％氮化硅、1-1.9％碳纳米管、1-2.5％石墨烯、12.3-19％多层板状结构与4-19％硅酸钾晶须；在摩擦膜支撑层多元复合调控剂包括13.6-14.5％陶瓷纤维、3.4-6.4％碳纤维、6.8-10％碳化钽、6.8-12％碳化铌、6.8-12.1％碳化硅、6.8-10.5％碳化钛、13.6-15.5％氮化硅、1.7-4.8％碳纳米管、2.4-5.4％石墨烯、17-19％多层板状结构、6.8-21.1％硅酸钾晶须；在摩擦膜接触层多元复合调控剂包括5.2-5.8％陶瓷纤维、7.8-8.4％碳纤维、2.6-3.2％碳化钽、5.1-6.4％碳化铌、5-6.2％碳化硅、2.6-4.8％碳化钛、7.8-8.6％氮化硅、1.3-2.4％碳纳米管、4-5.8％石墨烯、16-54％多层板状结构与18-20％硅酸钾晶须。

步骤1)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料，其材料中的多层板状结构制备方法为：按摩尔比(3-4):(3-4):(1-2)分别称取钼酸铵、硅粉与镉粉，将钼酸铵等粉料研磨混合，得到混合均匀、厚度为40-45μm板状晶体原始配料；然后采用真空气氛炉烧结，烧结温度为350-470℃、保温时间为4.5-6.5h，保护气体为氩气，在烧结过程中通入氧气量为85-115ml/min，得到一种多层板状结构mosicro。

步骤1)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料及其制备方法，它是经过多元板状晶体制备，各层材料摩擦学设计计算、真空混合、热压成型和样品加工，多层纳米晶结构叠加烧制和辊压等工艺，得到一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料。

步骤7)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料及其制备方法，其各层材料热压成型过程，按照权利要求2、4与5所述的成分配比与权利要求3，将混合均匀的各层粉末分别装入热压成型模具，获得金属基体、摩擦膜过渡层、磨擦膜支撑层、摩擦膜接触层片体原始材料，经样品热压成型后获得直径为22-34mm薄片。

步骤7)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料及其制备方法，其多层复合材料加工工艺流程，将权利要求8制备的各层薄片按顺序装入直径为24-36mm石墨模具中，设置放电等离子烧结参数，制备出一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料。

步骤7)中所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头复合材料及其制备方法，利用辊压工艺制备纳米晶结构摩擦膜接触层：利用陶瓷基滚动体反复作用于摩擦膜接触层，形成纳米晶结构摩擦膜，施加压力为3-5mpa，线速度为1-1.5m/s，温度为150℃，时间为150-250min，研磨剂为超纯水与纳米碳化物混合物。其中纳米碳化物是指15-25％碳化钽、7-10％碳化铌、20-25％碳化硅、30-35％碳化钛与15-20％氮化硅。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是:

1、本发明所述的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料中所添加的润滑材料可以在高温、高压等工况条件下发汗到摩擦膜接触层表面，达到油、脂无法达到的润滑效果，具有绿色环保，使用寿命长，工况适应性高等的优点；

2、本发明所述的软金属cusnagznsb与多元复合晶体材料协同润滑大幅提高了wcoalbnb基机械臂球接头的摩擦学性能，层状结构既满足了机械臂球接头对结构强度的要求，也提高了摩擦磨损部位的润滑效果，相比与传统机械臂球接头材料综合力学与摩擦学性能更加优越；

3、本发明所述的多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料，各层纳米晶结构是以基体材料wcoalbnb作为各层间的连接材料，大大提高了各层间的相容性与结合性能，使多层纳米晶结构更加紧密，是解决普通固体自润滑材料高温剥落、各层易分离与摩擦磨损严重等问题。

附图说明

图1为实施本发明制备工艺流程图。

图2是实施例1所制备的多层板状结构mosicro粉末电镜图。

图3为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料的摩擦系数曲线。

图4为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料磨损率柱状图。

图5是在实施例2条件下制备的一种wcoalbnb基机械臂球接头多层纳米晶复合结构金属基体与摩擦膜过渡层结合状态电镜形貌。

图6是在实施例2条件下制备的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦磨损表面的电子探针形貌。

图7为本发明实施例3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦磨损表面的场发射扫描电镜形貌。

图8为实施例3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦磨损3d微观形貌。

具体实施方式

为更好地对本发明开展研究与验证，结合以下几个实施例阐明本发明的几个主要研究内容，但本发明不仅仅局限于下面的几个实施例。

下述实施例中的摩擦测试条件为：载荷为10-20n、速度为0.15-0.25m/s、时间为70min和摩擦半径为4.5-6.5mm。

实施例1：

如图1所示，一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦学设计及其制备方法主要流程有以下几个步骤：

1)按摩尔比3:3:1分别称取钼酸铵、硅粉与镉粉，将钼酸铵粉等粉料研磨混合，得到混合均匀、厚度为40μm板状晶体原始配料；然后采用真空气氛炉烧结，烧结温度为350℃、保温时间为4.5h，保护气体为氩气，在烧结过程通入氧气量为85ml/min，得到一种多层板状结构mosicro。图2是实施例1所制备的多层板状结构mosicro粉末电镜图。

2)将步骤1)所得多层板状结构mosicro与陶瓷纤维、碳纤维、碳化钽、碳化铌、碳化硅、碳化钛、氮化硅、碳纳米管、石墨烯、多层板状结构、硅酸钾晶须进行计算配料，多元复合调控剂在各层中组分配比不同。在摩擦膜过渡层中多元复合调控剂主要是由17.6％陶瓷纤维、4.4％碳纤维、4.4％碳化钽、13.2％碳化铌、11.4％碳化硅、8.8％碳化钛、7％氮化硅、1％碳纳米管、1％石墨烯、12.3％多层板状结构、18.9％硅酸钾晶须组成；在摩擦膜支撑层中多元复合调控剂主要是由13.6％陶瓷纤维、3.4％碳纤维、6.8％碳化钽、6.8％碳化铌、6.8％碳化硅、6.8％碳化钛、13.6％氮化硅、1.7％碳纳米管、2.4％石墨烯、17％多层板状结构、21.1％硅酸钾晶须组成；在摩擦膜接触层中多元复合调控剂主要是由5.2％陶瓷纤维、7.8％碳纤维、2.6％碳化钽、5.1％碳化铌、5％碳化硅、2.6％碳化钛、7.8％氮化硅、1.3％碳纳米管、4％石墨烯、40.6％多层板状结构、18％硅酸钾晶须组成。

3)将步骤2)中的多层多元复合调控配料分别置于石英罐中，在真空环境下加温，利用酒精沸腾与真空蒸发，用以实现均匀混合与真空干燥参数如真空度为3.5×10^-2pa，加热温度为45℃，沸腾时间为10min，得到混合均匀的各层多元复合调控剂并分类保存。

4)按质量比70:5:4:3:2:0.32:0.2:0.2称取ni、cr、al、b、nb、si、co与y原始粉料；按质量比30:23:23:15:7称取pb、sn、ag、bi、sb原始粉料；利用真空混合干燥设备，将wcoalbnb原始粉料以及cusnagznsb原始粉料分别装入盛有酒精溶液的坩埚中，在真空环境下加温，利用酒精沸腾与真空蒸发，用以实现均匀混合与真空干燥，得到wcoalbnb以及cusnagznsb混合均匀的粉料。真空混合干燥空度为2.2×10^-2pa，加热温度为38℃，沸腾时间为25min。

5)将步骤2)所得多元复合调控材料与wcoalbnb合金，软金属cusnagznsb在各层结构中的成分与配比进行设计与计算。金属基体为wcoalbnb基合金，摩擦膜过渡层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为30:40:20；摩擦膜支撑层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为10:10:72；摩擦膜接触层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为3:40:50。

6)将步骤5)中的各层wcoalbnb基复合材料粉末分别采用真空蒸发混料处理，摩擦膜过渡层真空度为2.5×10^-2pa，加热温度为67℃，沸腾时间为7min；摩擦膜支撑层真空度为3.0×10^-2pa，加热温度为53℃，沸腾时间为9min；摩擦膜接触层真空度为3.5×10^-2pa，加热温度为45℃，沸腾时间为10min。

7)将步骤6)中混合均匀各层粉末装入热压成型模具，分别获得金属基体与摩擦膜过渡层等片体材料。摩擦膜过渡层热压成型施加压力为17mpa，压制温度为320℃，每次保温保压时间220min，每隔15min放气2s，反复进行7次操作；摩擦膜支撑层热压成型施加压力为15mpa，压制温度为220℃，每次保温保压时间120min，每隔35min放气2s，反复进行4次操作；摩擦膜接触层热压成型施加压力为20mpa，压制温度为150℃，每次保温保压时间40min，每隔10min放气2s，反复进行3次操作。

8)将步骤7)获得的压片进行样品加工处理，车削转速为600r/min，车削至各层对应层厚且截面面积在18mm的金属薄片；磨削工序转速150r/min，抛光机清理周边的毛刺、飞边和静电喷涂工艺设备转速750r/min，温度100℃进行后续处理，最终得到表面粗糙度为ra3.2、直径为18mm薄片

9)将步骤8)直径为18mm各层薄片按顺序装入直径为20mm石墨模具中，利用放电等离子烧结工艺制备出一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料。放电等离子烧结温度为1000℃、烧结压力为32mpa、保温时间为45min、保护气体为氩气、升温速率为90℃/min。

10)将步骤9获得的多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头进行辊压处理，辊压是利用陶瓷基滚动体反复作用于摩擦膜接触层，形成纳米晶结构摩擦膜，施加压力为3mpa，线速度为1m/s，作用温度为150℃，作用时间为150min，最终得到一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料。纳米碳化物是指15％碳化钽、7％碳化铌、25％碳化硅、35％碳化钛与18％氮化硅。

采用hvs-1000型数显维氏硬度计按照gb/t4340.1-2009测定硬度，实施例2所制备的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头硬度为4.95gpa，相对密度为98.3％。图3为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料的摩擦系数曲线.图4为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料磨损率柱状图。如图3和4所示，实施例1制备的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基球接头材料摩擦系数小，约为0.41，磨损率低，其值约为2.42×10^-6mm³/nm。这表明实施例1所制备的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料具有优异的减摩抗磨性能。

实施例2

如图1所示，一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦学设计及其制备方法主要流程有以下几个步骤：

1)按摩尔比4:4:2分别称取钼酸铵、硅粉与镉粉，将钼酸铵粉等粉料研磨混合，得到混合均匀、厚度为45μm板状晶体原始配料；然后采用真空气氛炉烧结，烧结温度为470℃、保温时间为6.5h，保护气体为氩气，在烧结过程通入氧气增强反应，氧气通入量为115ml/min，得到一种多层板状结构mosicro。

2)将步骤1)所得多层板状结构mosicro与陶瓷纤维、碳纤维、碳化钽、碳化铌、碳化硅、碳化钛、氮化硅、碳纳米管、石墨烯、多层板状结构、硅酸钾晶须进行计算配料，多元复合调控剂在各层中组分配比不同。在摩擦膜过渡层中多元复合调控剂主要是由19％陶瓷纤维、6.3％碳纤维、6.8％碳化钽、14.5％碳化铌、12％碳化硅、9.5％碳化钛、9.5％氮化硅、1.9％碳纳米管、2.5％石墨烯、14％多层板状结构、4％硅酸钾晶须组成；在摩擦膜支撑层中多元复合调控剂主要是由14.5％陶瓷纤维、6.4％碳纤维、6.8％碳化钽、6.8％碳化铌、8.6％碳化硅、10.5％碳化钛、15.5％氮化硅、1.7％碳纳米管、5.4％石墨烯、17％多层板状结构、6.8％硅酸钾晶须组成；在摩擦膜接触层中多元复合调控剂主要是由5.8％陶瓷纤维、8.4％碳纤维、3.2％碳化钽、6.4％碳化铌、6.2％碳化硅、4.8％碳化钛、8.6％氮化硅、2.4％碳纳米管、5.8％石墨烯、28.4％多层板状结构、20％硅酸钾晶须组成。

3)将步骤2)中的多层多元复合调控配料分别置于石英罐中，在真空环境下加温，利用酒精沸腾与真空蒸发，用以实现均匀混合与真空干燥参数如真空度为4.5×10^-2pa，加热温度为55℃，沸腾时间为15min，得到混合均匀的各层多元复合调控剂并分类保存。

4)分别按质量比80:16:7:6:4:0.46:0.4:0.5称取ni、cr、al、b、nb、si、co与y原始粉料；按质量比38:27:28:18:10称取pb、sn、ag、bi、sb原始粉料；利用真空混合干燥设备，将wcoalbnb原始粉料以及cusnagznsb原始粉料分别装入盛有酒精溶液的坩埚中，在真空环境下加温，利用酒精沸腾与真空蒸发，用以实现均匀混合与真空干燥，分别得到wcoalbnb以及cusnagznsb混合均匀的粉料。其中真空混合干燥工艺参数如真空度为5.4×10^-2pa，加热温度为60℃，沸腾时间为40min。

5)将步骤2)所得多元复合调控材料与wcoalbnb合金，软金属cusnagznsb在各层结构中的成分与配比进行设计与计算。金属基体为wcoalbnb基合金，摩擦膜过渡层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为40:50:24；摩擦膜支撑层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为15:13:80；摩擦膜接触层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为5:45:57。

6)将步骤5)中的各层wcoalbnb基复合材料粉末分别采用真空蒸发混料处理，摩擦膜过渡层真空度为3.4×10^-2pa，加热温度为80℃，沸腾时间为13min；摩擦膜支撑层真空度为4.1×10^-2pa，加热温度为68℃，沸腾时间为12min；摩擦膜接触层真空度为4.5×10^-2pa，加热温度为55℃，沸腾时间为15min。

7)将步骤6)中混合均匀的各层粉末分别装入热压成型模具中，分别获得金属基体与摩擦膜过渡层等片体材料。摩擦膜过渡层热压成型施加压力为19mpa，压制温度为420℃，每次保温保压时间250min，每隔20min放气3s，反复进行9次操作；摩擦膜支撑层热压成型施加压力为17mpa，压制温度为320℃，每次保温保压时间150min，每隔55min放气3s，反复进行6次操作；摩擦膜接触层热压成型施加压力为25mpa，压制温度为200℃，每次保温保压时间50min，每隔20min放气3s，反复进行5次操作。

8)将步骤7)获得的压片进行样品加工处理，车削转速为600r/min，车削至各层对应层厚且截面面积在28mm的金属薄片；磨削工序转速165r/min，抛光机清理周边的毛刺、飞边和静电喷涂工艺设备转速900r/min，温度100℃进行后续处理，最终得到表面粗糙度为ra3.2、直径为28mm薄片

9)将步骤8)直径为18-28mm各层薄片按顺序装入直径为30mm石墨模具中，利用放电等离子烧结工艺制备出一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料。放电等离子烧结温度为1200℃、烧结压力为40mpa、保温时间为55min、保护气体为氩气、升温速率为90℃/min。

10)将步骤9获得的多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头进行辊压处理，辊压是利用陶瓷基滚动体反复作用于摩擦膜接触层，形成纳米晶结构摩擦膜，施加压力为4.5mpa，线速度为1.2m/s，作用温度为150℃，作用时间为200min，最终得到一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料。纳米碳化物是指20％碳化钽、10％碳化铌、22％碳化硅、30％碳化钛与18％氮化硅。

采用hvs-1000型数显维氏硬度计按照gb/t4340.1-2009测定硬度，实施例2所制备的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头硬度为5.11gpa，相对密度为98.1％。图5是在实施例2条件下制备的一种wcoalbnb基机械臂球接头材料多层复合结构金属基体与摩擦膜过渡层结合状态电镜形貌。图6是在实施例2条件下制备的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦磨损表面的电子探针形貌。图3为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料的摩擦系数曲线。图4为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料磨损率柱状图。如图3和4所示，实施例2所制备的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦系数小，值约为0.30，磨损率低，约为3.12×10^-6mm³/nm。

实施例3

如图1所示，一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦学设计及其制备方法主要流程有以下几个步骤：

1)按摩尔比3.5:3.5:1.5分别称取钼酸铵、硅粉与镉粉，将钼酸铵粉等粉料研磨混合，得到混合均匀、厚度为42.5μm板状晶体原始配料；然后采用真空气氛炉烧结，烧结温度为370℃、保温时间为5.5h，保护气体为氩气，在烧结过程通入氧气增强反应，氧气通入量为105ml/min，得到一种多层板状结构mosicro。

2)将步骤1)所得多层板状结构mosicro与陶瓷纤维、碳纤维、碳化钽、碳化铌、碳化硅、碳化钛、氮化硅、碳纳米管、石墨烯、多层板状结构、硅酸钾晶须进行计算配料，多元复合调控剂在各层中组分配比不同。在摩擦膜过渡层中多元复合调控剂主要是由18.2％陶瓷纤维、5.2％碳纤维、5％碳化钽、14％碳化铌、11.7％碳化硅、9％碳化钛、8％氮化硅、1.5％碳纳米管、1.3％石墨烯、13％多层板状结构、13.1％硅酸钾晶须组成；在摩擦膜支撑层中多元复合调控剂主要是由14％陶瓷纤维、5％碳纤维、8％碳化钽、9％碳化铌、7.8％碳化硅、9.4％碳化钛、14％氮化硅、4％碳纳米管、4％石墨烯、18％多层板状结构、6.8％硅酸钾晶须组成；在摩擦膜接触层中多元复合调控剂主要是由5.4％陶瓷纤维、8％碳纤维、3％碳化钽、5.2％碳化铌、5.7％碳化硅、3.6％碳化钛、8.2％氮化硅、2.2％碳纳米管、5.2％石墨烯、34.5％多层板状结构、19％硅酸钾晶须组成。

3)将步骤2)中的多层多元复合调控配料分别置于石英罐中，在真空环境下加温，利用酒精沸腾与真空蒸发，用以实现均匀混合与真空干燥参数如真空度为4.0×10^-2pa，加热温度为50℃，沸腾时间为12min，得到混合均匀的各层多元复合调控剂并分类保存。

4)分别按质量比80:5:7:3:4:0.32:0.4:0.2称取ni、cr、al、b、nb、si、co与y原始粉料；按质量比30:27:23:18:10称取pb、sn、ag、bi、sb原始粉料；利用真空混合干燥设备，将wcoalbnb原始粉料以及cusnagznsb原始粉料分别装入盛有酒精溶液的坩埚中，在真空环境下加温，利用酒精沸腾与真空蒸发，用以实现均匀混合与真空干燥，分别得到wcoalbnb以及cusnagznsb混合均匀的粉料。其中真空混合干燥工艺参数如真空度为3.4×10^-2pa，加热温度为52℃，沸腾时间为36min。

5)将步骤2)所得多元复合调控材料与wcoalbnb合金，软金属cusnagznsb在各层结构中的成分与配比进行设计与计算。金属基体为wcoalbnb基合金，摩擦膜过渡层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为40:40:24；摩擦膜支撑层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为成分为15:13:72；摩擦膜接触层是由wcoalbnb基合金，软金属cusnagznsb与多元复合调控剂组成，其质量比为5:40:57。

6)将步骤5)中各层wcoalbnb基复合材料粉末分别采用真空蒸发混料处理，摩擦膜过渡层真空度为3.0×10^-2pa，加热温度为74℃，沸腾时间为8min；摩擦膜支撑层真空度为3.6×10^-2pa，加热温度为62℃，沸腾时间为11min；摩擦膜接触层真空度为4.0×10^-2pa，加热温度为50℃，沸腾时间为13min。

7)将步骤6)中混合均匀的各层粉末分别装入热压成型模具中，分别获得金属基体与摩擦膜过渡层等片体材料。摩擦膜过渡层热压成型施加压力为18mpa，压制温度为360℃，每次保温保压时间240min，每隔18min放气3s，反复进行8次操作；摩擦膜支撑层热压成型施加压力为16mpa，压制温度为260℃，每次保温保压时间140min，每隔45min放气3s，反复进行5次操作；摩擦膜接触层热压成型施加压力为22mpa，压制温度为175℃，每次保温保压时间45min，每隔15min放气3s，反复进行4次操作。

8)将步骤7)获得的压片进行样品加工，车削转速为600r/min，车削至各层对应层厚且截面面积在23mm的金属薄片；磨削工序转速155r/min，抛光机清理周边的毛刺、飞边和静电喷涂工艺设备转速800r/min，温度100℃进行后续处理，最终得到表面粗糙度为ra3.2、直径为25mm薄片

9)将步骤8)直径为25mm各层薄片按顺序装入直径为28mm石墨模具中，利用放电等离子烧结工艺制备出一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料。放电等离子烧结温度为1150℃、烧结压力为38mpa、保温时间为50min、保护气体为氩气、升温速率为90℃/min。

10)将步骤9获得的多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头进行辊压处理，辊压是利用陶瓷基滚动体反复作用于摩擦膜接触层，形成纳米晶结构摩擦膜，施加压力为5mpa，线速度为1.5m/s，作用温度为150℃，时间为250min，最终得到一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头材料。纳米碳化物是指15％碳化钽、10％碳化铌、25％碳化硅、30％碳化钛与20％氮化硅。

采用hvs-1000型数显维氏硬度计按照gb/t4340.1-2009测定硬度，实施例2所制备的一种多层纳米晶结构wcoalbnb基机械臂球接头硬度为4.98gpa，相对密度为98.2％。图7为本发明实施例3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦磨损表面的场发射扫描电镜形貌。图8为实施例3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料摩擦磨损3d微观形貌。图3为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料的摩擦系数曲线。图4为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料磨损率柱状图；如图3和4所示，实施例3制备的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基球接头材料摩擦系数小，为0.24，磨损率低，为3.58×10^-6mm³/nm。这表明利用实施例3所制备的一种多层纳米晶复合结构wcoalbnb基机械臂球接头材料具有优异的减摩抗磨性能。

本发明所列举的原料都能实现本发明，以及原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数，如频率、温度、时间、真空度等的上下限取值以及区间值都能实现本发明等等，在此不一一列举实施例。