一种表面涂层结合强度增强的基体及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面涂层结合强度增强的基体及制备方法，属于机械制造技术领域，在基体材料的主要摩擦、磨损表面进行微织构复合形貌以及涂层的主动处理，涂覆硬质涂层后对织构形貌以上下对应的方式织构化硬质涂层表面，最后涂覆软质涂层。本发明专利技术中复合涂层增强了基体表面的减摩耐磨性能，双层织构对应叠加增大了涂层‑基体、涂层‑涂层间结合强度，延长了基体使用寿命。

A matrix and preparation method for strengthening the bonding strength of the surface coating

【技术实现步骤摘要】
一种表面涂层结合强度增强的基体及制备方法
本专利技术属于机械制造
，特别是涉及一种表面涂层结合强度增强的基体及制备方法。
技术介绍
在机械制造领域，普遍存在的摩擦作用会导致零件的磨损或破损，而且摩擦和塑性变形产生的热量会加速这种现象的发生。金属表面的抗磨损、耐腐蚀和润滑性能至关重要。涂层技术因其显著防护作用而被广泛使用。目前，通常采用物理或者化学气相沉积法在金属材料表面制备硬质涂层，以提高表面的硬度以及耐磨性。基本可满足正常工况下对于表面性能的要求，但对于一些工况要求较高的行业，例如航空航天领域，硬涂层在带来高硬度的同时，不仅会增加涂层的脆性，导致涂层易于基体脱落，而且会划伤其他工件表面，造成严重的磨损。而“软”涂层追求的目标是低摩擦系数，可解决这一问题。当前涂层技术的发展趋势是涂层成分趋于多元化和复合化。复合涂层可综合单涂层的优点，复合多涂层及其相关技术的出现，使涂层既可提高与基体的结合强度又具有多种材料的综合性能，使涂层刀具的性能有了很大提高。激光织构技术应用于基体表面和涂层表面，形成具有规则排布的织构貌，使涂层与基体、涂层与涂层之间的结合面积增大，有利于增大不同材料之间的结合强度。当涂层磨损严重时，织构加工出的微凹腔中的涂层材料会随着摩擦副之间相互运动而带到接触面，充当固体润滑剂减少磨损。因此激光织构技术在改善零件表面摩擦性能和减少磨损方面效果显著。中国专利CN102785422A公开了一种氮化钒刀具涂层及其制备方法，在保证较低摩擦系数的同时,能够保证具有较高的硬度。中国专利CN102534492A公开了了一种SiCN/TiCN多层膜刀具涂层及其制备方法，采用两种硬涂层复合，实现了涂层多功能化，即具备低摩擦、高硬度和抗氧化等特点，同时可显著降低刀具表面粗糙度。中国专利CN102586734A公开了一种TiAlN/Ta多层膜刀具涂层及其制备方法，采用软硬复合涂层，具有高硬度和优良抗氧化性能。中国专利CN103089479A公开了带有硬软复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法，硬质涂层可以作为硬支撑层，提高活塞环外圆面的耐磨性表面，微孔阵列增强润滑油的流体动压效应，并作为润滑油剂的储池及收集磨屑颗粒。软质涂层作为润滑相，实现了对摩擦表面的自润滑和自修复。中国专利CN10256536.9公布了一种软硬复合涂层刀具及其制备方法，它是采用中频磁控沉积MoS2软涂层+电弧法镀Ti过渡层和ZrN硬涂层，刀具表面为MoS2层，MoS2层和基体之间具有Ti过渡层和ZrN硬涂层。该刀具进行干切削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而可达到减小摩擦，阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。激光表面毛化技术可以实现基体表面的可控织构化加工，形成的表面凹凸复合微织构不仅可存储润滑油和收集磨屑，并能增强润滑油膜的流体动压效应，减小磨损。更重要的是，还可以增加涂层与基体，涂层与涂层之间的结合强度。为了适应机械制造领域中广泛存在着摩擦磨损的场合，减小摩擦，降低磨损，提高基体的使用寿命，本专利技术提供了一种表面涂层结合强度增强的基体及制备方法，以硬质涂层作为硬支撑层，采用激光毛化技术对硬质涂层表面进行织构化处理，并在织构化表面制备软质涂层如离子镀MoS2涂层作为润滑相，从而改善基体的磨损以及涂层结合强度差的状况，得到的基体更容易适应各种工况。
技术实现思路
本专利技术主要针对基体表面耐磨处理技术的不足，提出了一种表面涂层结合强度增强的基体及制备方法。采用双层对应分布的两种织构形貌，以可控织构化表面作为润滑油剂、磨屑的储池，和涂层与基体，涂层与涂层之间连接媒介，以硬质涂层提供硬支撑，以软质涂层作为润滑相，在油膜失效或供油不足的情况下实现配副界面的自润滑。本专利技术增强了硬涂层与基体材料之间以及软硬复合涂层之间的结合强度，又具有较高的硬度和耐磨性，有效降低了工作场合的温度，延长了基体的使用寿命。为实现上述目标，可以通过以下方案解决各项技术问题：一种表面涂层结合强度增强的基体，包括基体材料、织构化基体表面、基体材料上的硬质涂层、织构化硬质涂层表面以及软质涂层。所述基体材料为高速钢、铝合金、铸铁、硬质合金、陶瓷材料之一；所述织构化基体材料表面为采用脉冲激光在基体表面加工的凹凸复合的织构形貌；所述硬质涂层材料为Al2O3、TiC、TiCN、CrN、ZrN、C3N4或TiAlN涂层之一；所述织构化硬质涂层表面为采用脉冲激光在硬质涂层表面与基体材料表面凹凸复合形貌相对应分布的凹凸复合的织构形貌；所述软质涂层为WS2、MoS2、TaS2涂层或碳基薄膜涂层之一，沉积在织构化硬质涂层表面。一种表面涂层结合强度增强的基体的具体技术方案为，包括基体材料、硬质涂层和软质涂层，基体材料与硬质涂层结合，基体材料表面设有织构形貌，硬质涂层与软质涂层结合，硬质涂层表面设有织构形貌。所述基体材料表面和涂层表面的表面织构为规则排列的织构形貌。规则排列的织构形貌包括凹体形貌、凸体形貌和凹凸复合织构形貌中的一种或两种以上的混合。所述基体材料与硬质涂层的表面织构形貌的排列呈对应分布。所述规则排列的织构形貌的间距大于织构直径。所述织构形貌呈错位分布是指在基体材料表面上织构形貌A的分布点与硬质涂层表面上织构形貌B的分布点位于同一竖直方向上，且形貌特征相同。所述织构形貌间距大于织构直径是指织构形貌中心间的距离大于织构形貌中心到该织构形貌所占区域的最大边缘轮廓间的距离。所述凹凸复合织构形貌为凹腔外径D2=20~300μm，凹腔内径D3=45~280μm，凹腔深度d2=5~35μm，边缘凸台高度h=1~20μm，凹腔间距L2=200~1000μm，面积占有率为S2=5%~70%。所述基体材料为碳化硅、高速钢、铝合金、铸铁、硬质合金、陶瓷材料之一。所述硬质涂层为Al2O3、TiC、TiCN、CrN、ZrN、C3N4或TiAlN涂层之一，所述硬质涂层厚度为1~2000μm。最小硬质涂层厚度大于最大织构深度。所述软质涂层为WS2、MoS2、TaS2涂层或碳基薄膜涂层之一，软质涂层厚度为1~1800μm。一种表面涂层结合强度增强的基体的制备方法，在对基体材料涂覆硬质涂层前，织构化基体材料表面，在对硬质涂层涂覆涂层前，织构化硬质涂层表面。一种表面涂层结合强度增强的基体及制备方法，具体步骤如下：1）对基体表面采用抛光机进行抛光处理至Ra＜0.01的镜面，放入清洗溶液采用超声波清洗机进行超声清洗，其中清洗溶液为氢氧化钠20g/L~75g/L、碳酸钠20g/L~80g/L的水溶液；2）采用Nd：YAG脉冲激光器对基体表面进行织构加工，同点间隔多次反复加工2~20次。保持基体不动，调整激光器在指定区域加工出凹凸复合的织构形貌，所述凹凸复合织构形貌为凹腔外径D2=20~300μm，凹腔内D3=45~280μm，凹腔深度d2=5~35μm，边缘凸台高度h=1~20μm，凹腔间距L2=200~1000μm，面积占有率为S2=5%~70%，形成织构化刀具基体表面；3）在织构化基体表面采用阴极弧物理蒸发方法沉积硬质涂层，工作气压控制在至0.4~0.5pa，偏压为200~500V，蒸发电流为60~80A，沉积温度为400~500℃，沉积时间为20~40min，硬质涂层厚度为1~20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，包括基体材料（5）、硬质涂层（3）和软质涂层（1），基体材料（5）与硬质涂层（3）结合，基体材料（5）表面设有织构形貌，硬质涂层（3）与软质涂层（1）结合，硬质涂层（3）表面设有织构形貌。

【技术特征摘要】
1.一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，包括基体材料（5）、硬质涂层（3）和软质涂层（1），基体材料（5）与硬质涂层（3）结合，基体材料（5）表面设有织构形貌，硬质涂层（3）与软质涂层（1）结合，硬质涂层（3）表面设有织构形貌。2.根据权利要求1所述的一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，所述基体材料（5）表面和硬质涂层（3）表面的表面织构为规则排列的织构形貌。3.根据权利要求2所述的一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，所述规则排列的织构形貌包括凹体形貌、凸体形貌和凹凸复合织构形貌中的一种或两种以上的混合。4.根据权利要求1或3所述的一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，所述基体材料（5）与硬质涂层（3）的表面织构形貌的排列呈对应分布。5.根据权利要求4所述的一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，所述规则排列的织构形貌的间距大于织构直径。6.根据权利要求4所述的一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，所述织构形貌呈对应分布是指基体材料（5）表面上织构形貌（4）的分布点与硬质涂层（3）表面上织构形貌（2）的分布点位于同一竖直方向上，且形貌特征相同。7.根据权利要求5所述的一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，所述织构形貌间距大于织构直径是指织构形貌中心间的距离大于织构形貌中心到该织构形貌所占区域的最大边缘轮廓间的距离。8.根据权利要求4所述的一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，所述凹凸复合织构形貌为凹腔外径D2=20~300μm，凹腔内径D3=45~280μm，凹腔深度d2=5~35μm，边缘凸台高度h=1~20μm，凹腔间距L2=200~1000μm，面积占有率为S2=5%~70%。9.根据权利要求4所述的一种表面涂层结合强度增强的基体，其特征在于，所述基体材料（5）为碳化硅、高速钢、铝合金、铸铁、硬质合金、陶瓷材料之一。10.根据权利要求9所述的一种表面涂层结合强度增强的基体及制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：符永宏，李海波，李勇军，康正阳，邹国文，钟行涛，黄婷，王浩，郑峰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32