一种基于钽基合金的减摩降噪隔热多功能复合层的制作方法

本发明属于表面工程的技术领域，涉及一种基于钽基合金表层的复合功能自润滑涂层，采用离子喷涂、氩弧熔覆以及真空溅射镀膜等技术，提供一种具有高度润滑的多功能钽基合金自润滑涂层制备方法。

背景技术：

随着大量先进机器的产生和工农业机械高负荷运动的增加。在航天航空、军工、食品、或是制药行业，都对材料润滑度有了更高的要求。相对于采取传统的液态润滑剂方式，固态的自润滑材料有着优异的使用性能。大量实践材料表明，液态润滑剂在高温作用下容易损伤脱落，并且由于粘性下降其承载能力也会下降，有较高的加工成本要求。更重要的是，液态润滑剂的排放会造成环境污染。而像金属基固体润滑剂已成功应用于工程领域，这不仅是由于基体金属的优异机械强度，也得益于固体润滑剂的优异性能。聚合物自润滑复合材料因其出色的摩擦磨损性能而被广泛使用。因此，自润滑材料的研发是润滑领域的一大进步。

目前，已有的自润滑材料主要包括金属基自润滑材料，非金属自润滑材料以及陶瓷自润滑材料。其中金属基自润滑材料是以一些具有高强度高硬度的合金作为连续相制备的超润滑材料，其分散相为固体润滑剂。在保证金属的强度及塑性能力的同时，提供了润滑源。钽基合金具有相当优异的高强度耐高温耐腐蚀性能，因此常用于航天航空领域。市面上现有的金属机自润滑复合材料大部分为铁基、镍基、银基或铜基，对于钽基合金自润滑材料的研究涉及较少。

制备自润滑涂层的主要技术如激光熔覆技术，一种新兴的表面工程技术。利用激光熔覆技术的特性，我们将增强材料系统并在更广阔的领域中发挥潜力。通过各种喷涂方法制备自润滑涂层结构的粘合剂底层和工作层。此组合过程包括真空和大气压等离子喷涂过程，高速火焰和大气压等离子组合喷涂过程，高速火焰和高速等离子顺应喷涂过程以及其他受控质量保证系统。涂层的质量与喷涂工艺和参数密切相关。标准工艺参数的可重复性和稳定性是确保涂层质量的最基本环节。

在现有专利中，cn109825795a(一种钢工件耐磨隔热复合涂层的制备方法)，其缺点是自润滑涂层采用常见的mo涂层进行过渡，由于其晶体结构在高温或摩擦环境下不稳定，对于基体保护程度较低，没有有效的延长基体寿命。cn108411300a(一种钛合金表面激光熔覆镍基自润滑涂层及其制备方法)，其缺点是润滑层制备方式仅针对钛合金表面的自润滑功能，其涂层性能较为单一。cn104746071a(一种金属基自润滑复合涂层及其制备方法)，其区别在于自润滑涂层成分及所采用技术更适合于常用合金基体，在隔热抗冲击功能上的应用能力较之钽基合金较低。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种基于钽基合金的包括隔热层、减摩过渡层、减摩作用层的三层式涂覆结构自润滑涂层，该材料同时具有摩擦系数低、隔热性能好、抗磨损性能强等优点，有效的对钽基合金表层进行保护强化。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于钽基合金的减摩降噪隔热多功能复合层，在基体金属表面依次涂覆隔热层、减摩过渡层、减摩作用层：

所述隔热层各组分质量分数比为：60％—85％的混合物h，10％—30％的纳米ti粉，3％—10％的zro2；其中，混合物h的组分质量分数比包括：25％—40％的nb，30％—45％的氧化锆，15％—20％的al(oh)3，5％—9％的氧化钛，8％—11％的碳纤维；

所述减摩过渡层的各组分质量分数比为：90％-95％的wc/nicrsib复合材料，2％—5％的氮化硼，3％—5％的fe所述减摩过渡层的各组分质量分数比为：90％-95％的wc/nicrsib复合材料，2％—5％的氮化硼，3％—5％的fe，

所述减摩工作层各组分质量分数比为：3％-5％的cr，1％-5％的co，1.5％-5％的sm，1％-5％的gd，80％-85％的c，余量为nd。

所述基体金属为ta。

其中wc/nicrsib复合材料中wc的质量分数为5％。

所述隔热层的厚度为0.1～0.2mm，所述减摩过渡层的厚度为0.3～0.5mm，所述减摩作用层的厚度为400～500nm。

基于钽基合金的减摩降噪隔热多功能复合层的制备方法包括以下步骤：

步骤1：将混合物h与纳米ti粉以及zro2球磨混合，混合后采用等离子喷涂方法铺于基体金属表面，采用氩弧熔覆技术制备隔热层，熔覆后20s冷却，冷却完成后磨削加工；

步骤2：将wc/nicrsib复合材料和磁性铁粉进行球磨混合，利用喷射沉积技术进行预置，预置后加入2％-5％的氮化硼，再采用氩弧熔覆技术制备减摩中间层，完成后磨削加工；

步骤3：将cr、co、sm、gd、c和nd进行球磨混合，利用真空溅射镀膜技术真空等离子体法进行真空溅射来制备减摩作用层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明制备的基于钽基合金表层的复合功能自润滑涂层由三层式涂覆结构分别构成，具有隔热、减摩、降震等复合功能的自润滑薄膜涂层；区别于一般的mos2或石墨等自润滑材料，采用含有良好隔热能力的zro2材料、以nb，co为主的包覆金属作为隔热层成分，避免了采用传统材料晶体结构的缺陷，并通过特殊混合物h提高涂层的隔热能力；减摩过渡层所采用的混入少量ti，co金属的wc-nicrsib涂层，在其材料高度稳定性下有良好的耐腐蚀性及抗冲蚀能力，同时减少了因含有wc而带有的脆性；本涂层所针对金属基体是目前研究较为空缺的钽基，钽基合金由于其良好的耐腐蚀、耐高温特性常用于航天航空领域，针对该合金的自润滑技术是目前涉及较少的；在制备过程采用离子喷涂、氩弧熔覆以及真空溅射镀膜等技术，设备的操作都较为简单方便，具有能源利用率也较高，方便调节等优点。

附图说明

图1：本发明的基于钽基合金的减摩降噪隔热多功能复合层的结构示意图。

图2：本发明的基于钽基合金的减摩降噪隔热多功能复合层的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图所示的一种钽基减摩降噪隔热复合涂层，其涂层结构在于自钽基：包括基体金属表面起依次涂覆：隔热层1、减摩过渡层2、减摩作用层3。

实施例1具体制备流程示意：

选取钽基合金作为基体进行试验，采用试样尺寸为80mm×40mm×5mm，依次使用w50、w40、w28、w10型号砂纸打磨，在60g/l的na2co3溶液中进行表面除油处理，并在去离子水中清洗，干燥后开始制备自润滑涂层。

首先采用球磨方式将85％的混合物h(混合物h的组分质量分数比包括：40％的nb，32％的氧化锆，15％的al(oh)3，5％的氧化钛，8％的碳纤维)，12％的纳米ti粉，3％的zro2按比例混合约15g于球磨机中，得到无明显颗粒，色泽均匀的粉末，粉末粒度为60μm，将粉末置于150℃烘干1h；通过metco9mb大气等离子喷涂机，工艺参数电压为54v，电流为550a，氩气流量为60l/h，氩气压力为0.7mpa扫描速度40cm/s；将之前处理好的试样装夹在喷涂机器夹具上，调入程序后进行喷涂。采用氩弧熔覆技术制备隔热层，熔覆后20s冷却，冷却完成后磨削加工，所制备的隔热层厚度为0.1mm。

将wc-nicrsib(含35％wc)粉末和磁性铁粉进行球磨混合，利用喷射沉积技术进行预制，其主要参数过程如下：1)通入电流1200a使其熔化为液体；2)通入氩气；3)加入3％的氮化硼；再采用氩弧熔覆技术制备减摩过渡层，完成后进行磨削加工。

将cr、co、sm、gd、c和nd进行球磨混合，利用真空溅射镀膜技术，真空等离子体法电压54v，电流450a，制备完成后冷却20s，得到减摩作用层。

经过涂层检测，发现采用本发明所制备的基于钽基合金自润滑涂层相对于原材表面性能有很大的性能优势，显微硬度为hv2651，表面摩擦系数较原材料降低20％，可降低振动能级6db以上，在无润滑传动齿轮中寿命达到3h以上，自腐蚀电流是一般mos2或石墨涂层的1/30。

实施例2具体制备流程示意：

选取钽基合金作为基体进行试验，采用试样尺寸为直径d＝40mm、厚度h＝5mm的圆柱试样，依次使用w50、w40、w28、w10型号砂纸打磨，在60g/l的na2co3溶液中进行表面除油处理，并在去离子水中清洗，干燥后开始制备自润滑涂层。

首先采用球磨方式将70％的混合物h(混合物h的组分质量分数比包括：(28％的nb，40％的氧化锆，17％的al(oh)3，5％的氧化钛，10％的碳纤维)，20％的纳米ti粉，5％的zro2按比例混合约15g于球磨机中，得到无明显颗粒，色泽均匀的粉末，粉末粒度为55μm，将粉末置于150℃烘干1h；通过metco9mb大气等离子喷涂机，工艺参数电压为54v，电流为550a，氩气流量为60l/h，氩气压力为0.8mpa扫描速度40cm/s；将之前处理好的试样装夹在喷涂机器夹具上，调入程序后进行喷涂。采用氩弧熔覆技术制备隔热层，熔覆后20s冷却，冷却完成后磨削加工，所制备的隔热层厚度为0.1mm。

将wc-nicrsib(含35％wc)粉末和磁性铁粉进行球磨混合，利用喷射沉积技术进行预制，其主要参数过程如下：1)通入电流1200a使其熔化为液体；2)通入氩气；3)加入3％的氮化硼；再采用氩弧熔覆技术制备减摩过渡层，完成后进行磨削加工。

将cr、co、sm、gd、c和nd进行球磨混合，利用真空溅射镀膜技术，真空等离子体法电压54v，电流450a，制备完成后冷却20s，得到减摩作用层。

经过上述涂层检测，发现采用本发明所制备的基于钽基合金自润滑涂层相对于原材表面性能有很大的性能优势，显微硬度为hv2842，表面摩擦系数较原材料降低20％，可降低振动能级6db以上，在无润滑传动齿轮中寿命达到3h以上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。