本發(fā)明涉及到涂層領(lǐng)域，特別是涉及到一種自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

在航空航天、先進(jìn)汽車制造、食品和制藥等特殊工業(yè)領(lǐng)域中，很多摩擦部件需要在高真空、高溫、高載荷或高清潔等苛刻環(huán)境下運(yùn)行，這使得普通材料和傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式(潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂)難以滿足使用要求。因此，具有高耐磨、低摩擦且環(huán)境友好的自潤(rùn)滑耐磨涂層的發(fā)展為這些領(lǐng)域的機(jī)件磨損和潤(rùn)滑問(wèn)題提供了良好的解決方案。在眾多涂層制備技術(shù)中，高能束表面涂層技術(shù)因其涂層結(jié)合強(qiáng)度高、對(duì)基材的熱影響、工藝柔性高和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，受到眾多關(guān)注和青睞。

目前主流的高能束制備自潤(rùn)滑耐磨涂層的方法主要是以表面熔覆工藝為主，其技術(shù)原理是利用高能束將涂層材料(涂層基體、強(qiáng)化介質(zhì)和固體潤(rùn)滑劑的均勻混合粉末)快速熔化、沉積在基材表面，并與基材表面薄層形成共熔，通過(guò)基材的快速自冷凝固形成具有高耐磨、低摩擦性能的功能涂層。高能束加工過(guò)程中，涂層熔池內(nèi)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，并在凝固后形成具有多相復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬基涂層，其中增強(qiáng)顆粒和固體潤(rùn)滑劑則以第二相的形式彌散分布于涂層基體當(dāng)中。

高能束制備自潤(rùn)滑耐磨涂層的方法主要有以下缺陷：

固體潤(rùn)滑劑在高溫的激光熔池中容易發(fā)生過(guò)熱分解及燒蝕現(xiàn)象；

固體潤(rùn)滑劑容易與涂層其他組分發(fā)生冶金反應(yīng)，生成新物質(zhì)，從而使?jié)櫥Ч軗p；

固體潤(rùn)滑劑形成的自潤(rùn)滑相在涂層中的形態(tài)和分布不可控，例如密度較低的化合物自潤(rùn)滑相趨于表面上?。欢芏认鄬?duì)較高的軟金屬自潤(rùn)滑相容易發(fā)生偏析；

涂層制備技術(shù)受限于加工原理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的為提供一種潤(rùn)滑方向和效果可控的自潤(rùn)滑耐磨涂層及該自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法。

本發(fā)明提出一種自潤(rùn)滑耐磨涂層，由耐磨單元和自潤(rùn)滑單元兩種不同的涂層單元組成；耐磨單元與自潤(rùn)滑單元在基材表面間隔設(shè)置，且相鄰的兩種涂層單元之間相互耦合；當(dāng)自潤(rùn)滑耐磨涂層受到外物磨擦?xí)r，耐磨單元抵御磨損效應(yīng)，而自潤(rùn)滑單元產(chǎn)生自潤(rùn)滑效應(yīng)，降低自潤(rùn)滑耐磨涂層的磨擦系數(shù)。

進(jìn)一步地，自潤(rùn)滑單元分布形式包括條形分布、網(wǎng)格形分布或蜂窩形分布。

進(jìn)一步地，耐磨單元包括耐磨基體和耐磨增強(qiáng)介質(zhì)，耐磨增強(qiáng)介質(zhì)為顆粒狀；耐磨增強(qiáng)介質(zhì)的顆粒彌散分布于耐磨基體中，增強(qiáng)耐磨單元的耐磨強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，耐磨基體為高性能耐磨合金。

進(jìn)一步地，耐磨增強(qiáng)介質(zhì)為高硬度陶瓷顆粒。

進(jìn)一步地，自潤(rùn)滑單元包括自潤(rùn)滑基體和自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)，自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)為顆粒狀；自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)的顆粒彌散分布于自潤(rùn)滑基體中，增強(qiáng)自潤(rùn)滑單元的潤(rùn)滑效果。

進(jìn)一步地，自潤(rùn)滑基體為低熔點(diǎn)的軟金屬或其合金，連接自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)且增強(qiáng)潤(rùn)滑效果。

進(jìn)一步地，自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)為固體潤(rùn)滑劑顆粒。

還提出了一種自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法，自潤(rùn)滑耐磨涂層包括耐磨單元和自潤(rùn)滑單元，制備方法包括：

將自潤(rùn)滑耐磨涂層設(shè)計(jì)的加工軌跡規(guī)劃，轉(zhuǎn)換為激光3d打印系統(tǒng)能夠識(shí)別的加工數(shù)據(jù)格式；

根據(jù)加工數(shù)據(jù)將耐磨單元和自潤(rùn)滑單元按照加工軌跡通過(guò)激光3d打印到涂層覆蓋位置。

進(jìn)一步地，將自潤(rùn)滑耐磨涂層設(shè)計(jì)的加工軌跡規(guī)劃，轉(zhuǎn)換為激光3d打印系統(tǒng)能夠識(shí)別的加工數(shù)據(jù)格式的步驟之前還包括：

配比涂層的材料成分，材料成分包括耐磨單元及自潤(rùn)滑單元的材料成分組成和配比；

確定自潤(rùn)滑耐磨涂層的結(jié)構(gòu)形式，并確定結(jié)構(gòu)參數(shù)；

采用三維繪圖軟件構(gòu)建自潤(rùn)滑耐磨涂層的cad模型。

本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法，其中的自潤(rùn)滑耐磨涂層的耐磨單元和自潤(rùn)滑單元間隔設(shè)置，通過(guò)調(diào)整自潤(rùn)滑單元的形態(tài)和分布可以控制潤(rùn)滑方向和優(yōu)化涂層潤(rùn)滑性能，而且自潤(rùn)滑效果穩(wěn)定，避免現(xiàn)有的高能束制備自潤(rùn)滑耐磨涂層時(shí)因出現(xiàn)冶金反應(yīng)影響自潤(rùn)滑耐磨涂層潤(rùn)滑效果的情況。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層多層疊加時(shí)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層組成的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法一實(shí)施例的步驟示意圖；

圖7是本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法另一實(shí)施例的步驟示意圖。

本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參照?qǐng)D1，自潤(rùn)滑耐磨涂層一實(shí)施例由耐磨單元1和自潤(rùn)滑單元2兩種不同的涂層單元組成；耐磨單元1和自潤(rùn)滑單元2分別設(shè)有多個(gè)；耐磨單元1與自潤(rùn)滑單元2在基材表面間隔設(shè)置，且相鄰的耐磨單元1與自潤(rùn)滑單元2兩種涂層單元之間相互耦合；當(dāng)自潤(rùn)滑耐磨涂層受到外物磨擦?xí)r，耐磨單元1抵御磨損效應(yīng)，提高自潤(rùn)滑耐磨涂層的耐磨性，自潤(rùn)滑單元2產(chǎn)生自潤(rùn)滑效應(yīng)，降低自潤(rùn)滑耐磨涂層的磨擦系數(shù)。自潤(rùn)滑單元2分布形式包括條形分布、網(wǎng)格形分布、蜂窩形分布或根據(jù)實(shí)際零件工作要求而優(yōu)化設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布。

參照?qǐng)D1，在自潤(rùn)滑單元2條形分布時(shí)，耐磨單元1也是條形分布，自潤(rùn)滑單元2可以在條形的自潤(rùn)滑單元2的寬度方向上起到自潤(rùn)滑作用。

參照?qǐng)D2，在自潤(rùn)滑單元2網(wǎng)格形分布時(shí)，耐磨單元1填充在網(wǎng)格內(nèi)，在構(gòu)成網(wǎng)格的自潤(rùn)滑單元2邊的橫向上，自潤(rùn)滑單元2起到自潤(rùn)滑作用，其自潤(rùn)滑方向?yàn)閮蓪?duì)共四個(gè)方向。

參照?qǐng)D3，在自潤(rùn)滑單元2蜂窩形分布時(shí)，耐磨單元1填充在蜂窩的網(wǎng)格內(nèi)，在構(gòu)成蜂窩網(wǎng)格的自潤(rùn)滑單元2邊的橫向上，自潤(rùn)滑單元2起到自潤(rùn)滑作用，其自潤(rùn)滑方向?yàn)槿龑?duì)共六個(gè)方向。

仿生學(xué)的相關(guān)研究表明，自然界中的一些生物結(jié)構(gòu)往往表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。以貝類生物外殼為例，貝殼在微觀下呈磚墻式結(jié)構(gòu)，主體成分中脆硬的礦物質(zhì)板塊通過(guò)極具韌性的原生質(zhì)薄層進(jìn)行連接形成三維耦合結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)造機(jī)制使貝殼的獲得了遠(yuǎn)高于純礦物質(zhì)材料的力學(xué)性能。如果將這種三維結(jié)構(gòu)耦合機(jī)制引入到涂層制造領(lǐng)域當(dāng)中，將會(huì)顯著提升涂層的綜合性能。

參照?qǐng)D4，自潤(rùn)滑耐磨涂層可以多層疊加，構(gòu)成磚墻式結(jié)構(gòu)，能夠獲得了遠(yuǎn)高于單純涂層材料的力學(xué)性能的涂層；實(shí)現(xiàn)具備優(yōu)良力學(xué)性能的三維仿生涂層的構(gòu)建。

參照?qǐng)D5，耐磨單元1包括耐磨基體11和耐磨增強(qiáng)介質(zhì)12，耐磨增強(qiáng)介質(zhì)12為顆粒狀；耐磨增強(qiáng)介質(zhì)12的顆粒彌散分布于耐磨基體11中，增強(qiáng)耐磨單元1的耐磨強(qiáng)度。

耐磨基體11為高性能耐磨合金。例如：鐵基、鎳基或鈷基等高硬度、高耐磨的自熔合金，可以起到粘結(jié)增強(qiáng)耐磨增強(qiáng)介質(zhì)12和支撐載荷的作用

耐磨增強(qiáng)介質(zhì)12為高硬度陶瓷顆粒。例如：碳化鈦、氧化鋁或氮化鈦等顆粒，起到進(jìn)一步增強(qiáng)硬度和耐磨性的作用。

自潤(rùn)滑單元2包括自潤(rùn)滑基體21和自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)22，自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)22為顆粒狀；自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)22的顆粒彌散分布于自潤(rùn)滑基體21中，增強(qiáng)自潤(rùn)滑單元2的潤(rùn)滑效果。

自潤(rùn)滑基體21為低熔點(diǎn)的軟金屬或其合金，連接自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)22且增強(qiáng)潤(rùn)滑效果。自潤(rùn)滑基體21為低熔點(diǎn)的軟金屬或其合金，例如：cu、sn、pb、ag、cusn等，可以起到自潤(rùn)滑和粘結(jié)自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)22的作用。

自潤(rùn)滑強(qiáng)化介質(zhì)22為固體潤(rùn)滑劑顆粒。例如：mos2、caf2、ws2、h-nb或石墨等，其主要作用是進(jìn)一步增強(qiáng)自潤(rùn)滑效果

參照?qǐng)D6，還提出了一種自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法，自潤(rùn)滑耐磨涂層包括耐磨單元和自潤(rùn)滑單元，制備方法包括：

s10、將自潤(rùn)滑耐磨涂層設(shè)計(jì)的加工軌跡規(guī)劃，轉(zhuǎn)換為激光3d打印系統(tǒng)能夠識(shí)別的加工數(shù)據(jù)格式；

s20、根據(jù)加工數(shù)據(jù)將耐磨單元1和自潤(rùn)滑單元2按照加工軌跡通過(guò)激光3d打印到涂層覆蓋位置。

在上述步驟s10中，加工軌跡可以是先加工耐磨單元1后加工自潤(rùn)滑單元2；也可以相反，先加工自潤(rùn)滑單元2后加工自潤(rùn)滑單元2。

在上述步驟s20中，在激光3d打印耐磨單元1和自潤(rùn)滑單元2時(shí)，相鄰的耐磨單元1和自潤(rùn)滑單元2相耦合。

參照?qǐng)D7，在步驟s10之前還包括：

s3、配比設(shè)計(jì)涂層的材料成分，材料成分包括耐磨單元1及自潤(rùn)滑單元2的材料成分組成和配比；

s4、確定設(shè)計(jì)自潤(rùn)滑耐磨涂層的結(jié)構(gòu)形式，并確定結(jié)構(gòu)參數(shù)；

s5、采用三維繪圖軟件構(gòu)建自潤(rùn)滑耐磨涂層的cad模型。

在上述步驟s3中，可以根據(jù)不同的工作需求調(diào)整自潤(rùn)滑耐磨涂層的分布以及耐磨單元1和自潤(rùn)滑單元2組成材料的設(shè)計(jì)方案，以應(yīng)對(duì)不同的磨擦方向和摩擦強(qiáng)度。

在上述步驟s4中，得到具體的自潤(rùn)滑耐磨涂層的設(shè)計(jì)參數(shù)，為步驟s5提供具體參數(shù)。

在上述步驟s5中，通過(guò)輔助軟件，設(shè)計(jì)出要加工的自潤(rùn)滑耐磨涂層模擬立體圖，并最終確定加工參數(shù)。加工參數(shù)包括耐磨單元1的形狀、大小及分布，自潤(rùn)滑單元2的形狀、大小及分布，加工順序及軌跡等等。

本發(fā)明自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法，其中的自潤(rùn)滑耐磨涂層的耐磨單元1和自潤(rùn)滑單元2間隔設(shè)置，通過(guò)調(diào)整自潤(rùn)滑單元2的形態(tài)和分布可以控制潤(rùn)滑方向和優(yōu)化涂層潤(rùn)滑性能，而且自潤(rùn)滑效果穩(wěn)定，避免現(xiàn)有的高能束制備自潤(rùn)滑耐磨涂層時(shí)因出現(xiàn)冶金反應(yīng)影響自潤(rùn)滑耐磨涂層潤(rùn)滑效果的情況。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明揭示了一種自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法，該自潤(rùn)滑耐磨涂層由耐磨單元和自潤(rùn)滑單元兩種不同的涂層單元組成；耐磨單元與自潤(rùn)滑單元在基材表面間隔設(shè)置，且相鄰兩種涂層單元之間相互耦合；當(dāng)自潤(rùn)滑耐磨涂層受到外物磨擦?xí)r，耐磨單元抵御磨損效應(yīng)，提高自潤(rùn)滑耐磨涂層的耐磨性，而自潤(rùn)滑單元能夠產(chǎn)生自潤(rùn)滑效應(yīng)，降低自潤(rùn)滑耐磨涂層的摩擦系數(shù)。本發(fā)明提出的自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法，其中的自潤(rùn)滑耐磨涂層的耐磨單元和自潤(rùn)滑單元間隔設(shè)置，通過(guò)調(diào)整自潤(rùn)滑單元的形態(tài)和分布可以控制潤(rùn)滑方向和優(yōu)化涂層潤(rùn)滑性能，而且自潤(rùn)滑效果穩(wěn)定，避免現(xiàn)有的高能束制備自潤(rùn)滑耐磨涂層時(shí)因出現(xiàn)冶金反應(yīng)影響自潤(rùn)滑耐磨涂層潤(rùn)滑效果的情況。

技術(shù)研發(fā)人員：趙航;伍曉宇;徐斌;梁雄;雷建國(guó);程蓉;郭登極;阮雙琛

受保護(hù)的技術(shù)使用者：深圳大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2017.05.26

技術(shù)公布日：2017.09.08