一种以纳米晶为基体多孔减摩涂层的电沉积加工方法与流程

本发明涉及一种以纳米晶为基体多孔减摩涂层的电沉积加工方法。
背景技术：
据统计，全世界约1/3的一次性能源浪费在摩擦过程中，约80%的机械零部件失效由摩擦磨损造成，节能/减排和资源再利用已成为全世界共同关注的主题。磨损最为严重的部件一般以滑动摩擦副为主，由于使用中承受着较大冲击和振动载荷、接触工作时间较长，极端高温高压环境，经过一段时期运行后导致擦伤破坏，精度和安全可靠性下降致失效。因此，在摩擦、磨损部位低成本制备以减摩性为主的高性能修复、强化涂层将有利于降低摩擦引起的运行能耗，且可有助于恢复乃至提升磨损部件的服役性能，对于挽回经济损失、解决行业共性问题具有普遍意义。国内外减摩涂层的制备方法目前通常有改性和改形两种。改性即通过镀膜、涂层、强化的手段改变摩擦表面的材料组织结构和机械物理性能，如气相沉积、等离子喷涂等，多通过特殊能场将特制的固体润滑材料等减摩耐磨涂层制备于基体表面；改形即为表面织构方法，采用光刻、激光刻蚀、化学刻蚀等手段改变基体或涂层表面的微观几何形态，其图案形状、大小、分布可影响摩擦副性能。现有减摩涂层的方法存在较多技术问题，一是设备成本、运转维护成本都比较高。激光熔敷、等离子喷涂等作为高能束加工方法，其设备成本能源消耗量都非常可观，还需要使用辅助设备和保护气体。加工方式复杂工序繁多；二是减摩织构涂层存在使用寿命的问题。如使用一段时期后表面织构图案会被磨损、磨掉以致失效，如何延长其寿命或在失效后进行低成本地再修复、再制造也是需要研究的问题。综上所述，为了片面追求减摩涂层制备效果，研究领域多使用高成本技术为制备手段，加工环境偏实验室为主，工序繁复，缺乏普遍性和实用性。在涂层特别是织构性涂层的强度设计、寿命保证上还缺乏有效办法。因此在客观上需要出现一种加工方法简单、设备运行成本较低、特别是在较长使用时间后减摩织构具有较长的使用寿命、不易磨损的涂层制备方法。技术实现要素：针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种以纳米晶为基体多孔减摩涂层的电沉积加工方法，利用射流电沉积固有的高强度纳米晶和均布多孔微纳结构，以连续多层沉积方式形成了以纳米晶为基体的多孔织构减摩涂层，满足了优良可靠织构形成条件，包括以下步骤：步骤（1），对工件表面处理；步骤（2），配置电解液；步骤（3），工件放置于沉积槽内，将喷嘴对准磨损相应位置；步骤（4），制备纳米晶沉积层；步骤（5），制备多孔织构沉积层；步骤（6）实验结束，取出工件清洗、擦拭。所述步骤（1），对工件表面处理依次打磨、除油、钝化、水洗、干燥。步骤（2），配置电解液为cuso4·5h2o250g/l，98%浓硫酸50g/l，电解液温度为25℃，电解液均用分析纯或化学纯试剂加蒸馏水配制而成。所述步骤（4）工艺参数选择为矩形喷嘴口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm；直流电流密度为300a/dm2电解液流速250l/h，机床扫描速度1000mm/分，扫描层数为800层。。5根据权利要求1所述的一种以纳米晶为基体多孔减摩涂层的电沉积加工方法，其特征在于，所述步骤（5）的电解液流速和机床扫描速度保持不变；电源切换输出脉冲电流，峰值密度500a/dm2，占空比为1：5，脉冲频率1250hz；扫描层数为600层。本发明的有益效果：(1)与普通射流电沉积沉积制备的单一沉积层相比，本发明形成了双元纳米晶-减摩多孔织构的复合涂层。该涂层首先与基体结合处形成纳米晶电沉积层，该涂层具有较好的强度、硬度等力学性能以及良好的致密性，可作为减摩涂层的基底和支撑层，同时也起到基体与减摩涂层的结合过渡层。而表面生成的减摩多孔表面织构涂层，能够起到吸附、存储润滑剂的作用，并且承载对摩材料的摩擦作用。这种复合涂层设计将射流电沉积特有的可产生纳米晶和多孔结构材料特点有机结合，是一种巧妙的组合创新，可以极大加强减摩织构的使用效果和使用寿命，避免减摩层过快磨损、失效。(2)类似的双元复合涂层设计（基底+减摩层），一般需要多次工艺复合处理、变换工位才能实现（如激光-电火花，激光-电镀等复合加工），过程比较繁复。而利用射流电沉积则可实现同一工位、同一材料配比，仅需调整电流、流速、层数等工艺参数即可实现不同性能涂层逐步、依次产生。操作简便，易于自动化实现。(3)该制备方法采用同种材料（如铜、镍金属）产生不同组织结构、性能涂层，则同种材质层-层之间具有较好的结合强度，避免了涂层之间的剥离、失效。。附图说明图1为射流电沉积设备图。图2为复合涂层加工步骤示意图。图3为纳米晶沉积层内部组织形貌（直流电流为300a/dm2）。图4为扫描400层时的沉积层表面多孔形貌。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。射流电沉积是近年来发展的一种局部高速电沉积技术（见图1），其特殊性在于电解液以射流态的束流形式从阳极区喷射到阴极区，由此产生一系列的奇异加工特性：可获得具有较好机械性能的纳米晶沉积层（见图3）；可形成均匀分布的表面微/纳多孔组织结构（见图4）；可实现定域沉积制造利于准确修复；工艺和控制手段简便、直接，属低成本的制造方法。根据以上对于加工方法的简化性要求、低成本要求以及涂层综合性能要求，可以利用其表面均布多孔微纳结构制备减摩性表面织构；可以将机械性能好、残余应力小的纳米晶涂层作为织构的支撑基体，以强化涂层寿命，改善承载能力和润滑效果；可以利用其定域性好的特点利于准确修复，工艺和控制手段简便、直接，属低成本的制造方法。技术原理由以下部分构成：（1）可形成纳米晶的支撑基体。射流电沉积独特的束流加工特点使其具有产生纳米晶结构的铜/镍电沉积层的能力，现有晶粒尺寸在30-80nm区间变化，纳米晶电沉积层具有较高的强度和硬度。（2）可产生符合多孔性织构减摩层。这种多孔材料可吸附、存储一定的润滑剂。一旦对摩中产生磨粒和其他衍生物也可收纳同时将润滑剂赶出释放，在自润滑的同时把磨损风险降低，具有减摩效果。（3）结合1、2可产生具有双元纳米晶-减摩多孔织构的复合涂层。该涂层首先与基体结合处完成纳米晶电沉积层，该功能层具有较好的强度、硬度等力学性能以及较好的致密性，可作为减摩结构的基底和支撑层，同时也起到与目标材料的结合过渡层，此支撑层的工艺特点是采用优化的电流参数、添加剂等使沉积层微观内部生长形式和结构得到控制，向致密性趋势演化；然后继续扫描生成减摩多孔表面织构的电沉积层，该功能层的特点是具有的一定孔径分布变化范围的多孔材料，能够起到吸附、存储润滑剂的作用，并且承载对摩材料的摩擦作用，其工艺特点是采用优化的电流参数、层数等使沉积层微观内部生长形式和结构得到控制，向多孔性趋势演化，同时具备一定的力学性能，整个加工过程如图2所示。（4）形成纳米晶涂层的优化工艺参数为：矩形喷嘴口径10×1mm，圆形喷嘴口径1-3mm，喷嘴与基体距离2-10mm。如使用直流电流，电流密度在300a/dm2之间为宜，电解液流速250l/h，扫描速度为1000mm/分钟。（5）形成多孔微织构优化工艺参数为：控制扫描层数、脉冲电流参数可达到改变多孔结构尺寸、分布的效果，微孔尺寸基本在微米级尺度。扫描层数：n=400-1200层。最初孔径尺寸为1微米左右，随着层数增加孔洞的总面积逐渐减小，直至闭合。可根据实际需要，考虑多孔织构涂层的层数设定。峰值电流密度可在400-500a/dm2之间选择，其一般规律为：随着峰值电流密度的增大，沉积层孔洞数量增多、尺寸增大。脉冲电流的占空比调试原则：占空比1:1-1:7范围内沉积层呈多孔结构。（8）纳米晶涂层和多孔微织构涂层的电流参数由可编程电镀电源自动触发输出。当数控程序开始执行纳米晶往复扫描沉积时，电源输出相应参数的直流电流；当纳米晶沉积结束后，数控程序段将启动触发器结束电源的直流输出，然后不间断继续进行多孔微织构涂层制备。可编程电源将瞬时切换成脉冲电流输出，直至此阶段数控程序结束。表1纳米晶铜与其他涂层强度性能比较试样制备方法抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)纳米晶铜645550多孔微织构涂层457329纳米晶多孔微织构复合涂层607523电沉积粗晶铜（251nm）387269冷轧粗晶纯铜303286表1所示为多种制备方法得到相应涂层的力学性能对比。比较可以看出，采用射流电沉积制备的纳米晶铜的抗拉强度和屈服强度较单纯的多孔微织构涂层分别超过40%及60%以上，而纳米晶多孔微织构复合涂层的力学性能也仅略小于纳米晶铜，而大大高于单纯多孔微织构涂层，分别超出34%和55%以上。同时，通过射流电沉积制备的纳米晶铜材料性能相对其他方法加工出的电沉积粗晶铜和冷轧纯铜有明显的提高，非常适宜作为铜质基体减摩涂层的基底材料。其操作步骤如下：对工件表面处理，依次打磨、除油、钝化、水洗、干燥。配置电解液。本实施方式中电解液的组成成分和和工艺参数分别为：cuso4·5h2o250g/l，98%浓硫酸50g/l，电解液温度为25℃。电解液均用分析纯或化学纯试剂加蒸馏水配制而成。将工件放置于沉积槽内，将喷嘴对准磨损相应位置。工艺参数选择为矩形喷嘴口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm；电解液流速250l/h，机床扫描速度1000mm/分；直流电流密度300a/dm2，扫描层数为600层；此段工序为制备纳米晶沉积层用。启动数控程序，代码如下：5．电解液流速和机床扫描速度保持不变；可编程电源切换输出脉冲电流，峰值密度500a/dm2，占空比为1：5，脉冲频率1250hz；扫描层数为600层；此段工序为制备多孔织构沉积层用。启动数控程序，代码如下：m98p2l900(调用子程序p2，执行300次，扫描600层)触发器启动电源脉冲电流输出；m30（程序结束）触发器结束电源脉冲输出；子程序p2略。实验结束。在数控加工程序结束后，z轴会自动升起一定高度一般约5-10毫米，使喷嘴与工件脱离接触，关停机床。取出工件清洗、擦拭。(1)与普通射流电沉积沉积制备的单一沉积层相比，本发明形成了双元纳米晶-减摩多孔织构的复合涂层。该涂层首先与基体结合处形成纳米晶电沉积层，该涂层具有较好的强度、硬度等力学性能以及良好的致密性，可作为减摩涂层的基底和支撑层，同时也起到基体与减摩涂层的结合过渡层。而表面生成的减摩多孔表面织构涂层，能够起到吸附、存储润滑剂的作用，并且承载对摩材料的摩擦作用。这种复合涂层设计将射流电沉积特有的可产生纳米晶和多孔结构材料特点有机结合，是一种巧妙的组合创新，可以极大加强减摩织构的使用效果和使用寿命，避免减摩层过快磨损、失效。(2)类似的双元复合涂层设计（基底+减摩层），一般需要多次工艺复合处理、变换工位才能实现（如激光-电火花，激光-电镀等复合加工），过程比较繁复。而利用射流电沉积则可实现同一工位、同一材料配比，仅需调整电流、流速、层数等工艺参数即可实现不同性能涂层逐步、依次产生。操作简便，易于自动化实现。(3)该制备方法采用同种材料（如铜、镍金属）产生不同组织结构、性能涂层，则同种材质层-层之间具有较好的结合强度，避免了涂层之间的剥离、失效。当前第1页12