一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法。
【背景技术】
[0002]在航空航天工业应用领域中，各种金属摩擦构件所承受的载荷、温度、压强、运转速度等在迅速增加。摩擦副在使用过程中由摩擦所导致的磨损失效是其应用的瓶颈，然而仅注力于提高金属运动副表面的硬度，反而在很多情况下会导致对磨件的严重磨损，危害更大，通过对金属运动副进行表面润滑处理可以有效提高航空用金属零部件的使用寿命和可靠性。但是常规的润滑技术已经不能完全满足其在某些极端工况下的使用要求，在金属零件实际承受接触摩擦磨损的表面制备一层具有优异耐磨性能和低摩擦系数的减摩耐磨涂层，可以解决上述问题。
[0003]对于润滑涂层来讲，涂层的硬度也是很重要的特性之一。从摩擦学上讲，在同等的磨损条件下，熔覆层硬度越低，其耐磨性能要差一些，反之亦然。单一的耐磨涂层由于材质硬，往往在涂层表面存在裂纹，裂纹在磨损过程中是发生疲劳脱落的诱因，一旦发生会对运动副零件将会产生不可修复的破坏，而单一的润滑涂层由于材质软、与基体结合力差等原因，在极端重载荷的工况下，涂层早期就会发生破坏，应用受到制约，因此，在实际生产中，需要兼顾考虑耐磨性能与减摩性能的匹配问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，该方法通过激光熔覆的工艺在金属基体表面制备的熔覆骨架具有非常高的硬度值，该熔覆骨架在磨损过程中能够起到分散载荷的作用，有效阻止金属基体表面塑性变形的积累，同时，该熔覆骨架的网格状结构对后续润滑相的成膜过程起到了支撑作用。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]步骤一、将耐磨粉末与金属粉末按质量比1: (5?10)混合均匀，得到熔覆粉末，所述耐磨粉末为碳化钨粉末、碳化钛粉末、立方氮化硼粉末或金刚石粉末，所述金属粉末为铁粉、钴粉、镍粉或钛粉；
[0007]步骤二、采用同步送粉的方式，按照预设的网格状扫描轨迹，在气压为0.0lMPa?IMPa的氩气保护气氛下，将步骤一中所述熔覆粉末在金属基体3表面进行激光熔覆，形成多条横纵交叉的熔覆带，多条横纵交叉的熔覆带构成呈网格状结构的熔覆骨架；所述激光熔覆的激光功率为100W?10KW，光斑直径为0.1mm?6mm，送粉率为lg/min?40g/min，扫描速度为20mm/s?30mm/s ；
[0008]步骤三、采用等离子喷涂工艺、涂覆工艺或化学复合镀工艺向步骤二中具有熔覆骨架的金属基体表面填充润滑相，打磨抛光后在金属基体表面得到减摩耐磨涂层。
[0009]上述的一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述熔覆带的宽度为0.5mm?6mm，所述熔覆带的高度为50 μ m?1200 μ
[0010]上述的一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中相邻两条熔覆带之间的距离为所述熔覆带宽度的I?5倍。
[0011]上述的一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤三中所述润滑相的厚度不小于所述熔覆带的高度。
[0012]上述的一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，所述等离子喷涂工艺的具体过程为:
[0013]步骤1.将润滑剂粉末和喷涂粉末按质量比1: (5?10)混合均匀，得到混合粉末，所述润滑剂粉末为六方氮化硼粉末或石墨粉末，所述喷涂粉末为镍粉或铁粉；
[0014]步骤2.采用等离子喷涂设备将步骤I中所述混合粉末喷涂于具有熔覆骨架的金属基体表面，自然冷却至室温后得到润滑相，所述等离子喷涂设备的工作电流为600A?800A，工作电压为25V?35V，氩气流量为0.5L/s?lL/s，氢气流量为0.5L/s?lL/s，载气流量为0.1L/s?0.2L/s，送粉率为3g/min?5g/min，喷涂距离为90mm?110mm，喷枪移动速度为 350mm/s ?450mm/s。
[0015]上述的一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，所述涂覆工艺的具体过程为:
[0016]步骤1.将润滑剂粉末和环氧树脂在温度为90°C?110°C的条件下混合均匀，然后加入固化剂搅拌均匀，得到涂覆胶体；所述润滑剂粉末和环氧树脂的质量比为1: (5?8)，所述润滑剂粉末为六方氮化硼粉末或二硫化钼粉末，所述固化剂为2-乙基-4-甲基咪唑；
[0017]步骤2.将步骤I中所述涂覆胶体均匀涂覆于具有熔覆骨架的金属基体表面，固化后得到润滑相。
[0018]上述的一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，所述化学复合镀工艺的具体过程为:将表面具有熔覆骨架的金属基体置于渡液中进行化学复合镀处理，在金属基体表面形成润滑相；所述渡液中的组分为:硫酸镍25g/L?35g/L，次亚磷酸钠25g/L?35g/L，柠檬酸钠15g/L?25g/L，纳米氟化钙210g/L?220g/L，十二烷基硫酸钠
0.5g/L?lg/L，所述渡液的pH值为4?5，渡液的温度为80°C?90°C，化学复合镀处理的时间为30min?60min。
[0019]上述的一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述激光熔覆的激光功率为1000W?5000KW，光斑直径为0.5mm?2mm，送粉率为5g/min?20g/min，扫描速度为 20mm/s ?25mm/s。
[0020]上述的一种在金属基体表面制备减摩耐磨涂层的方法，其特征在于，所述激光熔覆的激光功率为3000W，光斑直径为1mm，送粉率为15g/min，扫描速度为20mm/s。
[0021]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0022]1、本发明通过激光熔覆的工艺在金属基体表面制备的熔覆骨架具有非常高的硬度值，该熔覆骨架在磨损过程中能够起到分散载荷的作用，有效阻止金属基体表面塑性变形的积累，同时，该熔覆骨架的网格状结构对后续润滑相的成膜过程起到了支撑作用。
[0023]2、本发明在激光熔覆过程中将金属基体材料表面分割成连续、骨架支撑的小区域，在金属基体表面形成网格状高硬度的、能够起到耐磨支撑作用的熔覆骨架，再通过等离子喷涂、涂覆或化学复合镀的工艺将润滑相填充在金属基体表面，磨损过程中，在载荷的作用下润滑相不断析出，保证了运动副之间的应有间隙，防止偏心咬死等不良现象的发生，同时由于金属基体材料表面熔覆骨架的支撑作用，使润滑相的减摩效果非常明显。
[0024]3、本发明在金属基体表面制备的由熔覆骨架和润滑相构成的减摩耐磨材料能够充分发挥硬质相和润滑相的协同作用，由于软质的润滑相只有在硬质相的支撑下才能发挥较好的润滑效果，搭配出适宜的减摩耐磨涂层，本发明制备工艺稳定性好、可靠性高、寿命长、易于维修、适用范围广，且涂层可以进行二次维护，适于大规模工业化生产。
[0025]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0026]图1为本发明在平面状金属基体表面制备的减摩耐磨涂层的结构示意图。
[0027]图2为本发明在圆柱状金属基体表面制备的减摩耐磨涂层的结构示意图。
[0028]图3为本发明实施例1制备的减摩耐磨涂层与GCrl5摩擦副的摩擦系数-时间曲线。
[0029]附图标记说明:
[0030]I一恪覆带；2—润滑相；3—金属基体。
【具体实施方式】
[0031]实施例1
[0032]本实施例包括以下步骤:
[0033]步骤一、将耐磨粉末与金属粉末按质量比1:5混合均匀，得到恪覆粉末，所述耐磨粉末为碳化钨粉末，所述金属粉末为镍粉；
[0034]步骤二、采用同步送粉的方式，按照预设的网格状扫描轨迹，在气压为0.0lMPa的氩气保护气氛下，将步骤一中所述熔覆粉末在金属基体3表面进行激光熔覆，形成多条横纵交叉的熔覆带1，多条横纵交叉的熔覆带I构成呈网格状结构的熔覆骨架；所述激光熔覆的激光功率为6153W，光斑直径为3mm，送粉率为35g/min，扫描速度为25mm/s ;所述金属基体3为TC4钛合金基体，所述金属基体3为平板状基体，所述熔覆带I的宽度为5.13mm，所述熔覆带I的高度为1123 μ m，相邻两条熔覆带I之间的距离为所述熔覆带I宽度的1.5倍，激光熔覆过程中激光束输出前预通氩气5min?1min ；
[0035]步骤三、采用等离子喷涂工艺向步骤二中具有熔覆骨架的金属基体3表面填充润滑相2，打磨抛光后在金属基体3表面得到减摩耐磨涂层(结构如图1所示)；所述等离子喷涂工艺的具体过程为:
[0036]步骤1.将润滑剂粉末和喷