一種金屬基自潤滑復合涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種自潤滑復合涂層，特別是涉及一種金屬基自潤滑復合涂層及其制備方法，屬于基體表面強化處理的復合材料技術領域。
【背景技術】
[0002]許多機械零部件等基體表面需要高硬度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕以及抗接觸疲勞等性能的強化處理。目前的減摩降噪膜層主要有類金剛石碳膜(DLC)、氮化物鍍層、碳化物鍍層、碳氮化物鍍層、石墨和MoS2基鍍層。
[0003]DLC具有優良的摩擦學性能，工業上已經將其作為保護膜，但其在高溫下使用并和反應材料相接觸，就會分解，同時發現，DLC還存在以下缺點:薄膜中存在很大的內應力，導致薄膜在金屬表面成膜困難，并發生起皺，產生大量的應力釋放花樣，直接導致在使用過程中發生早期失效。
[0004]氮化物鍍層、碳化物鍍層、碳氮化物鍍層等傳統的耐磨鍍層以追求高硬度為目標，它們一般較脆，摩擦系數較高，且其存在的硬質磨肩會加速摩擦副的破壞，因此，這類薄膜減摩效果較差。
[0005]以上傳統的減摩降噪膜層需要以水或油作為潤滑劑，才能表現出優越的磨損性能，沒有自潤滑作用，使用起來有一定局限性。
[0006]除以上常規的傳統膜層外，隨著基體表面的鍍膜技術發展，特別是近年來激光熔覆、磁控濺射技術等取得的長足進步，使得采用不同技術相結合，發揮各自優點制備兩層或多層復合膜的設想變為現實，現有的技術表明，采用不同技術制備的不同梯度的復合膜層的綜合性能大大優于傳統鍍層，但制備得到的高溫固體自潤滑材料或類石墨碳膜等仍存在一定缺陷，如摩擦系數和磨損率相對較大，應用過程中仍然需要油潤滑輔助，才能有效保證潤滑的可靠性。
[0007]雖然，我國在海洋固體自潤滑涂層技術方面進行了多年的系統研宄，開發了多種海洋環境固體自潤滑復合膜。比如在某海水泵齒輪表面制備固體潤滑膜后，使得海水泵主頻噪音平均降幅超過6dB以上、III速全頻噪音降幅超過3dB，減摩降噪效果明顯。再比如我國自主研發的某輕型裝置由于結構緊湊，采用了斜盤式發動機，卻需配備專門的滑油系統對斜盤傳動關節組件進行濺油潤滑，增加了重量和輔機復雜性，還降低了發動機比功率；若采用固體自潤滑替代現有的濺油潤滑，不僅可以取消滑油系統，簡化輔機結構，使輕型裝置的結構重量降低約10kg，而且比功率可提高5%，航程提高近20%，大幅提高技戰指標。
[0008]但是，斜盤傳動關節組件的線速度非常高，磨損速率快、表面溫度高、摩擦熱對其基體金屬力學性能的影響較大，而現有的固體自潤滑復合膜已經不能很好地滿足其使用要求，所以需要制備兼具熱障性能和自潤滑性能的可大幅減摩降噪的自潤滑復合涂層。
【發明內容】
[0009]本發明的主要目的在于，克服現有技術中的不足，提供一種金屬基自潤滑復合涂層，特別適用于合金鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金等基體金屬的工件進行表面強化。
[0010]本發明所要解決的技術問題是提供具有熱障性能、自潤滑性能、減摩降噪性能高的金屬基自潤滑復合涂層，實現室溫下涂層結合強度達到71MPa、熱震次數達到72次、200°C自潤滑摩擦系數為0.072、200°C自潤滑磨損率為6.7X 10_17m3/N.πι的長效、高溫超潤滑的目的，能有效降低無油潤滑產生的摩擦熱，達到減摩和低磨損效果，從而可大幅提高無油自潤滑傳動組件的可靠性，極具有產業上的利用價值。
[0011]本發明所要解決的另一技術問題是提供制備有效、操作可控、質量可靠、適用范圍廣的金屬基自潤滑復合涂層的制備方法，可應用在合金鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金等基體金屬表面上制備自潤滑復合涂層，替代現有的濺油潤滑、減輕工件整體重量、提高傳動組件的減摩降噪性能，從而滿足現有技術中傳動組件無油自潤滑的高標準需求。
[0012]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是:
[0013]一種金屬基自潤滑復合涂層，包括自基體金屬表面起依次涂覆的熱障過渡層、自潤滑中間層和自潤滑工作層。
[0014]其中，所述熱障過渡層的組元成分質量比為83%?88%的混合物P、10%?15%的納米Cr粉、2% Y2O3，所述混合物P的組元成分質量比包括45%?50%的氧化鋯、12%?20 %的氧化鋁、2 %?4 %的氧化鈀、26 %?41 %的Ni粉。
[0015]而且，所述自潤滑中間層的組元成分質量比包括91 %?98 %的NiCrSiB-401、2%?9%的碳纖維。
[0016]同時，所述自潤滑工作層的組元成分質量比包括2%?8%的Cr、0.2%?5%的Y、0.3%?5%的Ce、0.2%?6%的Ta、余量為C。
[0017]本發明進一步設置為:所述基體金屬為30CrMnSiA時，所述熱障過渡層的組元成分質量比為85%的混合物P、13%的納米Cr粉、2% Y2O3，所述混合物P的組元成分質量比包括50 %的氧化鋯、20 %的氧化鋁、4 %的氧化鈀、26 %的Ni粉；所述自潤滑中間層的組元成分質量比包括95%的NiCrSiB-401、5%的碳纖維；所述自潤滑工作層的組元成分質量比包括5%的Cr、3%的Y、2%的Ce、3%的Ta、余量為C。
[0018]本發明進一步設置為:所述基體金屬為銅合金時，所述熱障過渡層的組元成分質量比為83%的混合物P、15%的納米Cr粉、2% Y2O3，所述混合物P的組元成分質量比包括45%的氧化鋯、20%的氧化鋁、4%的氧化鈀、31%的Ni粉；所述自潤滑中間層的組元成分質量比包括98%的NiCrSiB-401、2%的碳纖維；所述自潤滑工作層的組元成分質量比包括4%的Cr、2%的Y、3%的Ce、3%的Ta、余量為C。
[0019]本發明進一步設置為:所述基體金屬為鋁合金時，所述熱障過渡層的組元成分質量比為88%的混合物P、10%的納米Cr粉、2% Y2O3，所述混合物P的組元成分質量比包括46%的氧化鋯、16%的氧化鋁、4%的氧化鈀、34%的Ni粉；所述自潤滑中間層的組元成分質量比包括91%的NiCrSiB-401、9%的碳纖維；所述自潤滑工作層的組元成分質量比包括4%的 Cr、1.5%的 Y、1.3%的 Ce、3%的 Ta、余量為 C。
[0020]本發明進一步設置為:所述基體金屬為TC4鈦合金時，所述熱障過渡層的組元成分質量比為85%的混合物P、13%的納米Cr粉、2% Y2O3，所述混合物P的組元成分質量比包括47 %的氧化鋯、14 %的氧化鋁、3 %的氧化鈀、36 %的Ni粉；所述自潤滑中間層的組元成分質量比包括94%的NiCrSiB-401、6%的碳纖維；所述自潤滑工作層的組元成分質量比包括6%的Cr、0.2%的Y、1.2%的Ce、3%的Ta、余量為C。
[0021]本發明進一步設置為:所述熱障過渡層的厚度為0.1?0.3mm，所述自潤滑中間層的厚度為0.2?0.6_，所述自潤滑工作層的厚度為3?5um。
[0022]本發明進一步設置為:所述基體金屬包括純金屬和合金。
[0023]本發明還提供一種金屬基自潤滑復合涂層的制備方法，依次包括以下制備步驟:
[0024]步驟1:將混合物P與納米Cr粉及Y2O3采用球磨混合，混合后進行鋪粉于基體金屬表面，采用激光熔覆方法制備熱障過渡層，熔覆前預熱至90°C?100°C，熔覆后1s緩冷，完成后磨削加工；
[0025]步驟2:將NiCrSiB-401和碳纖維進行球磨混合，采用等離子噴涂方法進行預置，預置后加入3%氧化鋅，再采用激光熔覆方法制備自潤滑中間層，完成后磨削加工；
[0026]步驟3:將Cr、Y、Ce、Ta和C進行球磨混合，利用磁控濺射靶材鑲嵌法的多元復合靶技術進行磁控濺射而制備自潤滑工作層。
[0027]本發明的制備方法進一步設置為:還包括位于步驟2和步驟3之間對激光熔覆后的自潤滑中間層進行的前處理步驟；所述前處理步驟為:先進行車削加工、去掉表面毛刺，然后依次用600#、800#、1000#和水砂紙進行打磨，在打磨完成后用去離子水于超聲波容器中清洗lOmin，再使用丙酮溶液擦拭清洗，以及用酒精脫水干燥。
[0028]本發明的制備方法進一步設置為:所述步驟I中采用激光熔覆方法制備熱障過渡層所用激光熔覆參數為:頻率14?18Hz、脈寬5?8ms、電流140?170A、速度150mm/min、光斑寬度0.8?1.5mm ;所述步驟2中采用等離子噴涂方法進行預置所用預置參數為:噴涂電流360?450A、電壓60V、送粉量0.6?0.9Kg/h、主氣氬氣的壓力3.0par、輔氣氫氣的壓力2.4par ;所述步驟2中采用激光熔覆方法制備自潤滑中間層所用激光熔覆參數為:頻率14?18Hz、脈寬6?10ms、電流130?160A、速度300?600mm/min、光斑寬度0.8?1.5mm ；所述步驟3中制備自潤滑工作層所用參數為:磁控濺射電流3?7A，時間210?420min。
[0029]與現有技術相比，本發明具有的有益效果是:
[0030]通過于基體金屬表面自內向外依次