本發(fā)明涉及一種生成減摩性多孔結(jié)構(gòu)修復(fù)涂層的方法。

背景技術(shù)：

目前，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域大型裝備如工程機(jī)械、礦山機(jī)械、重型車(chē)輛零部件每年因摩擦磨損造成了巨大損失，2008年全國(guó)因摩擦磨損造成的損失高達(dá)9500億元。對(duì)于磨損部件，處理方式往往是簡(jiǎn)單地更換新品，粗放、浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，與國(guó)家倡導(dǎo)的綠色制造、循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略相違背。

分析發(fā)現(xiàn)，磨損最為嚴(yán)重的部件一般以滑動(dòng)摩擦副為主，如滑塊與導(dǎo)軌、活塞與腔壁、滑動(dòng)軸承與軸頸等，特點(diǎn)為：使用中承受著較大的沖擊和振動(dòng)載荷、頻繁的接觸工作時(shí)間，處于極端的高溫高壓環(huán)境之下，制造材料由于種種限制如運(yùn)行環(huán)境、加工工藝等對(duì)于極端工況的承受能力有限，經(jīng)過(guò)一段時(shí)期運(yùn)行后精度和安全可靠性有所下降達(dá)不到使用要求，但并未完全失效。

因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝配的前提下，借助先進(jìn)的再制造手段，在摩擦、磨損部位制備以減摩性為主的高性能涂層，從而恢復(fù)乃至提升其服役性能是可行和有利的。如能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)甚至在線的快速修復(fù)或強(qiáng)化，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益、提高裝備完好率、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展都有著重要的戰(zhàn)略意義。

當(dāng)前借助先進(jìn)的表面成形技術(shù)，再制造修手段主要有激光熔覆、等離子熔覆、電子束焊接、熱噴涂、離子鍍、電刷鍍等。如裝甲兵工程學(xué)院徐濱士院士主導(dǎo)推廣的自動(dòng)化高速電弧噴涂再制造成形，自動(dòng)納米電刷鍍等系統(tǒng)性的再制造修復(fù)技術(shù)；西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授等主持的航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片等零部件的激光再制造成形方法；上海寶冶工程技術(shù)公司研究和應(yīng)用了高能微弧冷焊再制造成形技術(shù)等；美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了激光近成形LENS的再制造成形技術(shù)；加拿大研發(fā)微束等離子弧再制造成形技術(shù)及其自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備系統(tǒng)；俄羅斯研發(fā)高溫合金粉末冶金再制造技術(shù)、熱障涂層再制造技術(shù)等，解決了高溫部件等關(guān)鍵零部件的高性能再制造。

綜合來(lái)看，目前再制造成形以高能量場(chǎng)技術(shù)居多，具有速度快、效率高、合金成分可調(diào)等特點(diǎn)，但也存在設(shè)備復(fù)雜、相對(duì)成本高、修復(fù)厚度不易控制、修復(fù)區(qū)存在熱影響殘余應(yīng)力等問(wèn)題，實(shí)際上對(duì)于高熔點(diǎn)硬質(zhì)材料、損傷較大（體積損傷）的待修復(fù)零件會(huì)更為理想。而對(duì)于材質(zhì)相對(duì)偏軟、損傷較?。ū砻鎿p傷）的摩擦副而言可能并不完全適用。如果修復(fù)成本過(guò)高甚至超過(guò)了更換新品的價(jià)值，那就失去了節(jié)能降耗的意義。因此客觀上需要有一種比較輕便、簡(jiǎn)單、易控的修復(fù)方法。

實(shí)際上，作為低成本涂層方法的電沉積技術(shù)已引起了業(yè)界的注意。電沉積相對(duì)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、制備的納米薄層有著較好的摩擦性能和耐熱耐蝕特性，對(duì)于損傷量較小零件的修復(fù)確實(shí)具有高能技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。如自動(dòng)化納米電刷鍍即為典型代表，它在電刷鍍液中加入特定功能的納米顆粒，通過(guò)刷筆刷鍍得到高性能沉積層，已用于機(jī)械零部件表面修復(fù)、強(qiáng)化再制造中。此類(lèi)方法目前在軍工裝備中使用較多，在民用裝備制造業(yè)中還未普及。先進(jìn)表面工程技術(shù)群需要類(lèi)似的技術(shù)、方法不斷產(chǎn)生，而再制造在智能化、復(fù)合化、微納化和功能化的發(fā)展趨勢(shì)也要求更多具備綜合特點(diǎn)的加工方式出現(xiàn)和完善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種通過(guò)射流電沉積方法在摩擦副摩擦磨損位置簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)地制備多孔結(jié)構(gòu)減摩涂層的方法，對(duì)于貴重?fù)p傷部件的再利用具有重要意義。該方法具有以下特點(diǎn)：①可制備具有表面多孔納米結(jié)構(gòu)的銅沉積層，有改變多孔結(jié)構(gòu)尺寸和分布的手段，存在演變?yōu)闇p摩性表面織構(gòu)的可能；②定域性好易于數(shù)控結(jié)合。

本發(fā)明通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)，具體操作步驟如下：

1．基體表面預(yù)處理。為獲得較好的結(jié)合力及沉積效果，需進(jìn)行以下預(yù)處理工序：拋光處理：先用400目金相砂紙打磨基體如摩擦副表面去除其氧化層，再以800、1000目金相砂紙研磨、拋光，確?；w表面達(dá)到一定粗糙度；表面清洗：蒸餾水清洗基體表面，后用丙酮擦洗約5分鐘除油處理。

2．配置電解液。電解液的成分和和工藝參數(shù)分別為：五水硫酸銅250-300g/L，濃硫酸50g/L，電解液溫度25℃。

3．工藝參數(shù)：矩形噴嘴口徑10×1mm，圓形噴嘴口徑1-3mm，噴嘴與基體距離2-10mm。電流兩種配置方式分別為直流和脈沖：如使用直流電流，電流密度在450-500A/dm²之間為宜，脈沖電流見(jiàn)步驟4介紹。電解液流速200-300L/h，掃描速度為1000mm/分鐘。此區(qū)間為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)供參考之用，可根據(jù)實(shí)際工況將具體參數(shù)在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)、選擇。

4．針對(duì)性地控制兩大參數(shù)：掃描層數(shù)、脈沖電流參數(shù)可達(dá)到改變多孔結(jié)構(gòu)尺寸、分布的效果。根據(jù)下列調(diào)試原則，可得到均勻分布的微孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)，微孔尺寸基本在微米級(jí)尺度。

1）調(diào)節(jié)掃描層數(shù)： N=400、600、800、1200層。

通過(guò)設(shè)定數(shù)控設(shè)備參數(shù)，可控制掃描層數(shù)為400-1200層。前述技術(shù)原理中提到電沉積過(guò)程中，首先沿電場(chǎng)方向優(yōu)先生長(zhǎng)形成山頂山脊，構(gòu)成經(jīng)線狀晶粒團(tuán)聚體，然后側(cè)向生長(zhǎng)橫向鋪展，形成緯線狀晶粒團(tuán)聚體，互相搭接構(gòu)成了多孔網(wǎng)狀沉積層結(jié)構(gòu)。當(dāng)沉積層數(shù)不斷增加經(jīng)線狀晶粒團(tuán)生長(zhǎng)逐漸密化，形成的網(wǎng)狀孔洞尺寸不斷減小并最終閉合，沉積層表位微觀結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越致密。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)沉積到1200層時(shí)沉積層中的孔洞已被完全覆蓋呈致密狀。因此根據(jù)以上程序，調(diào)整數(shù)控程序在400-1200層之間，400層比較均勻，孔洞較大，具有一定的厚度。而隨著層數(shù)增加孔洞的總面積逐漸減小。以上所述在實(shí)際工況中因加工環(huán)境等影響可能會(huì)有輕微變化，但基本演變規(guī)律保持不變。應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇層數(shù)，具體厚度見(jiàn)附圖8中數(shù)據(jù)作為參考。

2）脈沖電流參數(shù)調(diào)整：占空比、脈沖電流頻率、峰值電流密度

脈沖電流調(diào)整手段包括占空比、頻率、峰值電流密度三個(gè)方面，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試，以下為相關(guān)原則：

脈沖電流的占空比調(diào)試原則：占空比1:1-1:7范圍內(nèi)沉積層呈多孔結(jié)構(gòu)。占空比直接影響了沉積擴(kuò)散層內(nèi)金屬陽(yáng)離子的濃度恢復(fù)，也影響了多孔微觀組織結(jié)構(gòu)。隨著占空比的增大，逐漸由不均勻、粗大的多孔結(jié)構(gòu)過(guò)渡到精細(xì)、均勻的微孔結(jié)構(gòu)，見(jiàn)附圖5所示。占空比1:7時(shí)的多孔結(jié)構(gòu)要比占空比1:3更為致密、均勻。因此可按實(shí)際需要選擇合適的占空比。

脈沖頻率調(diào)試原則：脈沖頻率不宜太高，過(guò)高頻率會(huì)造成沉積層組織細(xì)化、孔洞減少、致密性提高。脈沖頻率1250-2500Hz之間時(shí)，具有較為均勻的多孔結(jié)構(gòu)分布。

峰值電流調(diào)試原則：峰值電流密度可在400-500A/dm²之間選擇，其一般規(guī)律為：隨著峰值電流密度的增大，沉積層孔洞數(shù)量增多、尺寸增大，見(jiàn)附圖6所示。前述沉積層多孔結(jié)構(gòu)隨層厚變化規(guī)律可知，多孔結(jié)構(gòu)會(huì)隨層厚增加而閉合、致密。峰值電流密度高則沉積層次數(shù)減少，導(dǎo)致沉積層數(shù)未達(dá)到微孔閉合所需層數(shù)時(shí)，會(huì)在沉積層表面出現(xiàn)較多的微孔。同一厚度沉積層，峰值電流密度低則需要沉積層數(shù)多，在沉積達(dá)到要求厚度之前微孔已閉合，因此組織結(jié)構(gòu)相對(duì)較為致密，多孔組織較難獲得。

技術(shù)原理：

1．射流電沉積方法原理見(jiàn)附圖1。該工藝與普通電沉積不同，電解液以射流態(tài)從陽(yáng)極噴嘴噴出至陰極區(qū)，特點(diǎn)體現(xiàn)在：①大幅度提高極限電流密度，沉積速度快；②可獲得不同微、納組織結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)；③良好的定域性。噴嘴指向的工件表面才會(huì)發(fā)生沉積；④工藝參數(shù)簡(jiǎn)便、直接，如調(diào)整電流密度、掃描速度、流速都可改變沉積層的微觀結(jié)構(gòu)。

2．射流電沉積的特殊性滿足了滑動(dòng)摩擦副減摩性涂層的制備要求：

（1）速度快工藝簡(jiǎn)單。涂層的修復(fù)厚度可在微米到毫米尺度內(nèi)精確調(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)手段為電流密度、流速等，簡(jiǎn)單直接易于操作，設(shè)備和修復(fù)成本較低，符合再制造工程高效、經(jīng)濟(jì)的要求。

（2）定域性滿足定向修復(fù)。磨損表面多存在點(diǎn)蝕或劃傷的失效情況，而射流電沉積的可變口徑圓形、矩形噴嘴以及數(shù)控掃描方式則保證了相應(yīng)損傷位置的準(zhǔn)確修復(fù)。

（3）可產(chǎn)生符合摩擦副需要的多孔性減摩、強(qiáng)化層。射流電沉積層具有致密、多孔兩種結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制工藝參數(shù)可使材料致密性發(fā)生變化，產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)涂層，并在此基礎(chǔ)上可演變進(jìn)化為更加合理的表面織構(gòu)。這種多孔材料可吸附、存儲(chǔ)一定的潤(rùn)滑劑。一旦對(duì)摩中產(chǎn)生磨粒和其他衍生物也可收納同時(shí)將潤(rùn)滑劑趕出釋放，在自潤(rùn)滑的同時(shí)把磨損風(fēng)險(xiǎn)降低，具有減摩效果。

（4）多孔性涂層的產(chǎn)成機(jī)理。電沉積過(guò)程中單位時(shí)間和面積內(nèi)形核數(shù)量以及結(jié)晶生長(zhǎng)特點(diǎn)決定了多孔結(jié)構(gòu)的生成，按形成過(guò)程存在下列環(huán)節(jié)：

（a）成核過(guò)程。根據(jù)電沉積工藝特點(diǎn)，成核在一定外界能量下會(huì)在陰極表面特定能量狀態(tài)的位置上產(chǎn)生。因所需能量較少，會(huì)優(yōu)先發(fā)生在活性較高的某陰極點(diǎn)，而活性低較低的點(diǎn)所需能量較大則不足以成核。

（b）形核過(guò)程。當(dāng)射流電沉積往復(fù)掃描速度慢時(shí)，電場(chǎng)作用充分，活性高點(diǎn)增多，形核數(shù)量也隨之增加。掃描速度速度加快則電場(chǎng)作用減弱形核數(shù)量減少。

（c）晶核長(zhǎng)大。晶核會(huì)不斷按不同方向長(zhǎng)大，當(dāng)噴嘴往復(fù)逐層掃描時(shí)，前次掃描中已成核晶體表面或周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生新晶核并一起形成團(tuán)聚體。當(dāng)噴嘴再次掃過(guò)時(shí)，新晶核會(huì)在晶核團(tuán)聚體表面及周?chē)仉妶?chǎng)方向和垂直電場(chǎng)方向堆積生長(zhǎng)。

（d）成多列山谷狀并互相搭接構(gòu)成多孔分布。射流電沉積特有的高電流密度使晶粒沿電場(chǎng)方向優(yōu)先生長(zhǎng)，導(dǎo)致晶核團(tuán)堆積成多列山脊?fàn)罨蛱飰艩罘植迹g形成山谷狀間隙，如附圖2所示?！凹鬼敗币蜻吘壭?yīng)側(cè)向生長(zhǎng)并鋪展，當(dāng)鄰列“山谷”間晶粒團(tuán)側(cè)向生長(zhǎng)致互相搭接時(shí)，就形成了多孔網(wǎng)狀的沉積層結(jié)構(gòu)，如附圖3所示。當(dāng)繼續(xù)沉積層數(shù)達(dá)到一定厚度時(shí)，這種側(cè)向搭接生長(zhǎng)加劇使孔洞尺寸不斷減小，沉積層愈發(fā)致密，并最終閉合，形成較致密的沉積層。

因此如上所述，多孔結(jié)構(gòu)形成關(guān)鍵是提供適當(dāng)?shù)⒉怀浞值碾妶?chǎng)，這需要提供合適的電流參數(shù)（包括占空比、電流密度、電流頻率），同時(shí)掃描速度宜快，層數(shù)不宜過(guò)多。如果按需求選擇合適的參數(shù)，則多孔結(jié)構(gòu)的尺寸和分布均可調(diào)節(jié)。

本發(fā)明特點(diǎn)在于以生成多孔性結(jié)構(gòu)涂層作為減摩性材料為技術(shù)核心，通過(guò)多種手段影響多孔尺寸和分布：

(1) 通過(guò)射流電沉積本身具有定域性好和可產(chǎn)生特殊表面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，針對(duì)滑動(dòng)摩擦副磨損現(xiàn)象在其表面進(jìn)行修復(fù)增強(qiáng)思路，去解決工程中普遍存在的磨損損傷問(wèn)題。

(2) 利用射流電沉積逐層掃描沉積中，晶粒團(tuán)聚體先生成“山谷”間隙后橫向搭接構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程特點(diǎn)，提出生成沉積層表面多孔結(jié)構(gòu)涂層的技術(shù)原理。

(3) 根據(jù)技術(shù)原理給出了優(yōu)化的工藝參數(shù)，提出沉積層數(shù)、電流配置等對(duì)多孔結(jié)構(gòu)分布、尺寸的影響規(guī)律，給出了優(yōu)化范圍。

附圖說(shuō)明

圖1是射流電沉積方法原理示意圖。

圖2是高電流密度使晶粒沿電場(chǎng)方向優(yōu)先生長(zhǎng)的晶核團(tuán)分布示意圖。

圖3是逐層掃描后的多孔結(jié)構(gòu)分布示意圖。

圖4 不同層數(shù)的射流沉積層表面多孔形貌。

圖5 不同占空比沉積多孔形貌。

圖6 峰值電流密度影響下的多孔形態(tài)。

圖7是多孔狀納米晶銅表面形態(tài)。

圖8電流密度為450A/dm²下的不同掃描層數(shù)涂層厚度（mm）。

具體實(shí)施方式

其操作步驟如下：

1.對(duì)工件表面處理，依次打磨、除油、鈍化、水洗、干燥。

2.配置電解液。本實(shí)施方式中電解液的組成成分和和工藝參數(shù)分別為：

CuSO₄·5H₂O 250g/L，98%濃硫酸50g/L，電解液溫度為25℃。電解液均用分析純或化學(xué)純?cè)噭┘诱麴s水配制而成。

3.將工件放置于沉積槽內(nèi)，將噴嘴對(duì)準(zhǔn)磨損相應(yīng)位置。

4.工藝參數(shù)選擇為矩形噴嘴口徑10×1mm，噴嘴與基體距離為5mm；

電解液流速300L/h，機(jī)床掃描速度1000mm/分；

脈沖電流，峰值密度450A/dm²，占空比為1：5，脈沖頻率1250HZ；

掃描層數(shù)為600層；

啟動(dòng)數(shù)控程序，代碼如下：

O0001 (主程序編號(hào))

G54 G90 G00 X-50 Y80 Z10; （建立工件坐標(biāo)系，快速定位到（-10,80,10）的位置）

G01 Z-100 F1000; （定位到（-50,80，-100），進(jìn)給速度為1000mm/min）

M98 P2 L900; (調(diào)用子程序P2，執(zhí)行300次，掃描600層)

M30 （程序結(jié)束）

子程序P2略。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)束。在數(shù)控加工程序結(jié)束后，Z軸會(huì)自動(dòng)升起一定高度一般約5-10毫米，使噴嘴與工件脫離接觸，關(guān)停機(jī)床。

6.取出工件清洗、擦拭。

圖7即為在此工藝條件下制備的沉積層，可以看出涂層表面具有較為均勻分布的長(zhǎng)條微孔結(jié)構(gòu)，微孔尺寸大都在2×1微米左右。此種情況即為一種微孔結(jié)構(gòu)尺寸與分布形態(tài)，如根據(jù)技術(shù)方案中提出的各項(xiàng)工藝參數(shù)，則尺寸、分布均有相應(yīng)變化，可以按需求調(diào)試。