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

背景技術(shù)：

在航空航天、先進汽車制造、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)境下運行，這使得普通材料和傳統(tǒng)潤滑方式(潤滑油或潤滑脂)難以滿足使用要求。因此，具有高耐磨、低摩擦且環(huán)境友好的自潤滑耐磨涂層的發(fā)展為這些領(lǐng)域的機件磨損和潤滑問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)合強度高、對基材的熱影響、工藝柔性高和綠色環(huán)保等優(yōu)勢，受到眾多關(guān)注和青睞。

目前主流的高能束制備自潤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、強化介質(zhì)和固體潤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，其中增強顆粒和固體潤滑劑則以第二相的形式彌散分布于涂層基體當(dāng)中。

高能束制備自潤滑耐磨涂層的方法主要有以下缺陷：

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

固體潤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；

固體潤滑劑形成的自潤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滑相趨于表面上??；而密度相對較高的軟金屬自潤滑相容易發(fā)生偏析；

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明提出一種自潤滑耐磨涂層，由耐磨單元和自潤滑單元兩種不同的涂層單元組成；耐磨單元與自潤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)，而自潤滑單元產(chǎn)生自潤滑效應(yīng)，降低自潤滑耐磨涂層的磨擦系數(shù)。

進一步地，自潤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。

進一步地，耐磨單元包括耐磨基體和耐磨增強介質(zhì)，耐磨增強介質(zhì)為顆粒狀；耐磨增強介質(zhì)的顆粒彌散分布于耐磨基體中，增強耐磨單元的耐磨強度。

進一步地，耐磨基體為高性能耐磨合金。

進一步地，耐磨增強介質(zhì)為高硬度陶瓷顆粒。

進一步地，自潤滑單元包括自潤滑基體和自潤滑強化介質(zhì)，自潤滑強化介質(zhì)為顆粒狀；自潤滑強化介質(zhì)的顆粒彌散分布于自潤滑基體中，增強自潤滑單元的潤滑效果。

進一步地，自潤滑基體為低熔點的軟金屬或其合金，連接自潤滑強化介質(zhì)且增強潤滑效果。

進一步地，自潤滑強化介質(zhì)為固體潤滑劑顆粒。

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

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

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

進一步地，將自潤滑耐磨涂層設(shè)計的加工軌跡規(guī)劃，轉(zhuǎn)換為激光3d打印系統(tǒng)能夠識別的加工數(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滑單元的材料成分組成和配比；

確定自潤滑耐磨涂層的結(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)建自潤滑耐磨涂層的cad模型。

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

附圖說明

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

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

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

圖4是本發(fā)明自潤滑耐磨涂層多層疊加時一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明自潤滑耐磨涂層組成的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明自潤滑耐磨涂層的制備方法一實施例的步驟示意圖；

圖7是本發(fā)明自潤滑耐磨涂層的制備方法另一實施例的步驟示意圖。

本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結(jié)合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

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

參照圖1，自潤滑耐磨涂層一實施例由耐磨單元1和自潤滑單元2兩種不同的涂層單元組成；耐磨單元1和自潤滑單元2分別設(shè)有多個；耐磨單元1與自潤滑單元2在基材表面間隔設(shè)置，且相鄰的耐磨單元1與自潤滑單元2兩種涂層單元之間相互耦合；當(dāng)自潤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)，提高自潤滑耐磨涂層的耐磨性，自潤滑單元2產(chǎn)生自潤滑效應(yīng)，降低自潤滑耐磨涂層的磨擦系數(shù)。自潤滑單元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)實際零件工作要求而優(yōu)化設(shè)計的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布。

參照圖1，在自潤滑單元2條形分布時，耐磨單元1也是條形分布，自潤滑單元2可以在條形的自潤滑單元2的寬度方向上起到自潤滑作用。

參照圖2，在自潤滑單元2網(wǎng)格形分布時，耐磨單元1填充在網(wǎng)格內(nèi)，在構(gòu)成網(wǎng)格的自潤滑單元2邊的橫向上，自潤滑單元2起到自潤滑作用，其自潤滑方向為兩對共四個方向。

參照圖3，在自潤滑單元2蜂窩形分布時，耐磨單元1填充在蜂窩的網(wǎng)格內(nèi)，在構(gòu)成蜂窩網(wǎng)格的自潤滑單元2邊的橫向上，自潤滑單元2起到自潤滑作用，其自潤滑方向為三對共六個方向。

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)板塊通過極具韌性的原生質(zhì)薄層進行連接形成三維耦合結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)造機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)耦合機制引入到涂層制造領(lǐng)域當(dāng)中，將會顯著提升涂層的綜合性能。

參照圖4，自潤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。

參照圖5，耐磨單元1包括耐磨基體11和耐磨增強介質(zhì)12，耐磨增強介質(zhì)12為顆粒狀；耐磨增強介質(zhì)12的顆粒彌散分布于耐磨基體11中，增強耐磨單元1的耐磨強度。

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)增強耐磨增強介質(zhì)12和支撐載荷的作用

耐磨增強介質(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，起到進一步增強硬度和耐磨性的作用。

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

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

自潤滑強化介質(zhì)22為固體潤滑劑顆粒。例如：mos2、caf2、ws2、h-nb或石墨等，其主要作用是進一步增強自潤滑效果

參照圖6，還提出了一種自潤滑耐磨涂層的制備方法，自潤滑耐磨涂層包括耐磨單元和自潤滑單元，制備方法包括：

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

s20、根據(jù)加工數(shù)據(jù)將耐磨單元1和自潤滑單元2按照加工軌跡通過激光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后加工自潤滑單元2；也可以相反，先加工自潤滑單元2后加工自潤滑單元2。

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

參照圖7，在步驟s10之前還包括：

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

s4、確定設(shè)計自潤滑耐磨涂層的結(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)整自潤滑耐磨涂層的分布以及耐磨單元1和自潤滑單元2組成材料的設(shè)計方案，以應(yīng)對不同的磨擦方向和摩擦強度。

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

在上述步驟s5中，通過輔助軟件，設(shè)計出要加工的自潤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)明自潤滑耐磨涂層及其制備方法，其中的自潤滑耐磨涂層的耐磨單元1和自潤滑單元2間隔設(shè)置，通過調(diào)整自潤滑單元2的形態(tài)和分布可以控制潤滑方向和優(yōu)化涂層潤滑性能，而且自潤滑效果穩(wěn)定，避免現(xiàn)有的高能束制備自潤滑耐磨涂層時因出現(xiàn)冶金反應(yīng)影響自潤滑耐磨涂層潤滑效果的情況。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，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)明揭示了一種自潤滑耐磨涂層及其制備方法，該自潤滑耐磨涂層由耐磨單元和自潤滑單元兩種不同的涂層單元組成；耐磨單元與自潤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)，提高自潤滑耐磨涂層的耐磨性，而自潤滑單元能夠產(chǎn)生自潤滑效應(yīng)，降低自潤滑耐磨涂層的摩擦系數(shù)。本發(fā)明提出的自潤滑耐磨涂層及其制備方法，其中的自潤滑耐磨涂層的耐磨單元和自潤滑單元間隔設(shè)置，通過調(diào)整自潤滑單元的形態(tài)和分布可以控制潤滑方向和優(yōu)化涂層潤滑性能，而且自潤滑效果穩(wěn)定，避免現(xiàn)有的高能束制備自潤滑耐磨涂層時因出現(xiàn)冶金反應(yīng)影響自潤滑耐磨涂層潤滑效果的情況。

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

受保護的技術(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