本發(fā)明涉及表面微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于激光織構(gòu)的冷植入制備金屬基自潤滑涂層的方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，包括航天航空等多個(gè)領(lǐng)域?qū)x器、設(shè)備及材料的抗磨性能提出了更高的要求，這也加速了固體潤滑替代液體潤滑的步伐，自潤滑涂層因兼有涂層基體的力學(xué)性能和潤滑相的摩擦學(xué)特性受到越來越多關(guān)注。但是由于潤滑相在涂層中分布不均勻會(huì)引起不穩(wěn)定的摩擦系數(shù)以及三維微、納米結(jié)構(gòu)缺陷，這些一直是自潤滑涂層制備的難點(diǎn)。

激光表面織構(gòu)化技術(shù)是一種最易控制的微細(xì)形貌造型技術(shù)，又由于速度快、能耗低、潔凈度高、不受材料限制等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)涂層表面規(guī)則分布、尺寸可控的微孔陣列，將該技術(shù)與自潤滑涂層技術(shù)結(jié)合起來，可以有效改善零件表面的摩擦和磨損性能。而對(duì)于激光織構(gòu)表面的抗摩減磨研究，主要集中在微孔形狀、微孔深度與微孔直徑的比值(深徑比)和造型密度三個(gè)方面來提高摩擦副工作表面的抗摩減磨性能。

中國專利″一種基于激光織構(gòu)的自潤滑減磨復(fù)合結(jié)構(gòu)表面制備方法″(申請(qǐng)?zhí)枺?01410341263.9)公開了一種基于激光織構(gòu)的自潤滑減磨復(fù)合結(jié)構(gòu)表面制備方法，先采用皮秒脈沖激光進(jìn)行表面織構(gòu)，再以介電泳力向織構(gòu)結(jié)構(gòu)填充潤滑劑，最后激光快速掃描制備自潤滑涂層。高能量高密度激光熔覆過程中會(huì)出現(xiàn)潤滑相的減少，還有但潤滑相分布不均使得涂層的自潤滑性能未能充分發(fā)揮。

中國專利″一種鈦合金表面復(fù)合耐磨減摩涂層及其制備方法″(申請(qǐng)?zhí)枺?01410767991.6)公開了一種鈦合金表面復(fù)合耐磨減摩涂層及其制備方法，將激光表面織構(gòu)化技術(shù)和等離子電解氧化技術(shù)相結(jié)合，在鈦合金表面制備織構(gòu)化/陶瓷化復(fù)合涂層，并涂覆固體潤滑劑以改善其表面摩擦性能。這種工藝便于添加潤滑劑，但是制備的材料涂層太過于局限，無法實(shí)現(xiàn)材料整體表面的自潤滑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述問題，提供了一種基于激光織構(gòu)的冷植入制備金屬基自潤滑涂層的方法，有效改善了潤滑相在涂層表面不均勻分布，降低表面的摩擦因子，在提高表面抗摩、減磨性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)材料表面的自潤滑，同時(shí)減少了三維微、納米結(jié)構(gòu)的缺陷。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于激光織構(gòu)的冷植入制備金屬基自潤滑涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、制備激光織構(gòu)表面結(jié)構(gòu)：采用脈沖光纖激光器對(duì)熔覆后的試樣的涂層表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，制備微孔陣列，形成激光織構(gòu)化表面；

S2、對(duì)織構(gòu)化后的試樣的涂層表面進(jìn)行處理；

S3、將球磨好的粉末潤滑劑填充在試樣的激光織構(gòu)表面結(jié)構(gòu)內(nèi)；

S4、將填充好潤滑劑的試樣固定在攪拌摩擦焊設(shè)備的工作臺(tái)上，在氬氣體保護(hù)下進(jìn)行加工，完成試樣的自潤滑涂層的制備。

其中，所述S1中的激光織構(gòu)化表面為由正六邊形組成的蜂窩狀，所述正六邊形的邊長(zhǎng)為1.5mm～2.5mm，深度0.5mm～1.5mm，織構(gòu)密度范圍為30％～50％。

其中，所述S1中脈沖光纖激光器的基本參數(shù)為：激光波長(zhǎng)1064nm、脈沖頻率30～250kHz、脈沖寬度80～120ns，每個(gè)孔需要15～20個(gè)脈沖。

其中，所述S2中對(duì)涂層表面的處理具體采用氨水對(duì)試樣的涂層表面進(jìn)行擦洗，并去除試樣的涂層表面的氧化物。

其中，所述S3中填充的粉末潤滑劑的厚度為所述試樣的激光織構(gòu)表面結(jié)構(gòu)深度的0.9～1.0倍。

其中，所述S4中攪拌摩擦焊設(shè)備所用的攪拌頭的工藝參數(shù)為：軸肩直徑為8～12mm，攪拌頭直徑3～5mm，長(zhǎng)2.5～3.5mm，攪拌速度50mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為500～750r/min。

其中，所述S4中攪拌摩擦焊設(shè)備所用的攪拌頭的軸肩壓入試樣的表面深度為0.15～0.25mm。

本發(fā)明的有益效果為：

1)本方法是在金屬基涂層上進(jìn)行的，克服了在激光輻照之后由于熔池區(qū)域內(nèi)部會(huì)存在較大的溫度梯度導(dǎo)致后續(xù)的快速凝固過程中產(chǎn)生較強(qiáng)的熱應(yīng)力涂層中產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)避免了由于高溫影響潤滑相的減少。

2)用本方法在涂層表面形成多尺度微孔結(jié)構(gòu)，可以提高表面潤滑涂層的結(jié)合強(qiáng)度，經(jīng)過攪拌摩擦焊處理后，使得潤滑相在涂層分布更加均勻，降低表面的摩擦因數(shù)，在提高表面抗摩、減磨性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)表面的自潤滑。

3)整個(gè)工藝過程簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、效率高，具有較為理想的工程應(yīng)用意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。

圖2為脈沖光纖激光器對(duì)涂層進(jìn)行織構(gòu)的示意圖。

圖2中：1-脈沖光纖激光器；2-工件；3-激光織構(gòu)平臺(tái)。

圖3為試樣在激光織構(gòu)后的截面示意圖。

圖4為試樣在激光織構(gòu)后的表面示意圖。

圖5為基于激光織構(gòu)的攪拌摩擦加工涂層的示意圖.

圖5中：1-攪拌頭；2-軸肩；3-攪拌針；4-工件；5-固定夾具6-攪拌摩擦焊平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

實(shí)施例一：

一種基于激光織構(gòu)的冷植入制備鎳基自潤滑涂層的方法，具體制備步驟如下：

S1、制備激光織構(gòu)表面結(jié)構(gòu)(如圖2所示)：采用脈沖光纖激光器通過激光掃描振鏡加工系統(tǒng)對(duì)激光熔覆后的試樣的鎳基涂層表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，制備微孔陣列，形成激光織構(gòu)化表面(如圖3結(jié)合圖4所示)，即燒蝕或誘導(dǎo)出人工規(guī)律的呈蜂窩狀的表面結(jié)構(gòu)，蜂窩中的每個(gè)正六邊形的邊長(zhǎng)為1.5mm，深度為0.5mm，織構(gòu)密度為30％，在表面織構(gòu)化處理中，脈沖光纖激光器的基本參數(shù)為激光波長(zhǎng)1064nm、脈沖頻率75kHz、脈沖寬度80ns，每個(gè)孔需要15個(gè)脈沖；

S2、對(duì)織構(gòu)化后的涂層表面進(jìn)行處理，采用氨水對(duì)織構(gòu)化后的試樣的涂層表面進(jìn)行擦洗，并去除表面氧化物，然后用酒精和丙酮清洗，真空干燥箱中烘干。

S3、將球磨好的5微米粉末BN潤滑劑置于已驅(qū)氧的瓶中，烘干后均勻的涂在試樣的激光織構(gòu)表面結(jié)構(gòu)上，潤滑劑涂層厚度為激光織構(gòu)結(jié)構(gòu)深度的0.9～1.0倍。

S4、安裝加工試樣(如圖4所示)：將試樣用夾具固定在攪拌摩擦焊設(shè)備的工作臺(tái)上，并設(shè)置好加工所用的攪拌頭的各個(gè)工藝參數(shù)：軸肩直徑為8～10mm，攪拌頭直徑3～5mm，長(zhǎng)2.5～3.5mm，攪拌速度50mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為500r/min?？刂茢嚢桀^的軸肩壓入試樣的表面深度為0.15～0.25mm，在氬氣體保護(hù)下進(jìn)行加工。

采用此方法制備的鎳基自潤涂層組織均勻致密、無裂紋、涂層厚度0.5-1.0mm。并且該涂層具有良好的耐磨蝕性能和較低的摩擦系數(shù)(0.2)，相同情況下耐磨性是基體的4.7倍，能夠滿足苛刻工況條件下的使用要求。

實(shí)施例二：

一種基于激光織構(gòu)的冷植入制備Co基自潤滑涂層的方法，具體制備步驟如下：

S1、制備激光織構(gòu)表面結(jié)構(gòu)：采用實(shí)施例一的S1中所述的步驟進(jìn)行制備，僅改變脈沖光纖激光器的參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)人工規(guī)律的表面結(jié)構(gòu)，這里脈沖光纖激光器的基本參數(shù)為激光波長(zhǎng)1064nm、脈沖頻率100kHz、脈沖寬度100ns，每個(gè)孔需要20個(gè)脈沖，所形成的呈蜂窩狀的表面結(jié)構(gòu)中的正六邊形邊長(zhǎng)為2.0mm，深度為1.5mm，織構(gòu)密度為30％；

S2、將球磨好的5微米的磨料MoS2粉用無水乙醇洗滌，然后加入硅烷類偶聯(lián)劑KH-570，以10∶1的質(zhì)量比均勻混合后置入已驅(qū)氧的瓶中，通氮?dú)狻⒊檎婵罩钡綄⒁掖汲齼舾稍锖缶鶆虻耐吭诩す饪棙?gòu)表面結(jié)構(gòu)上，潤滑劑涂層厚度為試樣的織構(gòu)結(jié)構(gòu)深度的0.9～1.0倍。

S3、采用實(shí)施例一的S4中所述的步驟進(jìn)行攪拌摩擦焊后處理，經(jīng)改變所用的攪拌頭的各個(gè)工藝參數(shù)：軸肩直徑為8～10mm，攪拌頭直徑3～5mm，長(zhǎng)2.5～3.5mm，攪拌速度100mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為700r/min，并控制攪拌頭的軸肩壓入試樣的表面深度為0.15～0.25mm，在氬氣體保護(hù)下進(jìn)行加工。

采用此方法所獲得的Co基自潤滑復(fù)合涂層與基體結(jié)合良好，組織致密，摩擦系數(shù)為0.17。

實(shí)施例三：

一種基于激光織構(gòu)的冷植入制備Co基自潤滑涂層的方法，具體制備步驟同實(shí)施例二，僅在S1中通過改變脈沖光纖激光器的參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)人工規(guī)律的表面結(jié)構(gòu)，使得試樣的織構(gòu)密度為50％。

實(shí)施例三與實(shí)施案例二相比，所制備的Co基自潤滑涂層的摩擦系數(shù)為0.14。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的原理下完成的等效或修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。