一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法技术

一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法，包括如下步骤：(1)基材表面预处理；(2)扫描加工微织构；(3)清洗后抽真空；(4)涂层制备；(5)后处理。本发明专利技术所述激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法能够降低金属表面的摩擦系数和磨损量，延长织构的作用寿命，而且可以提高涂层的结合力和热疲劳性能。

A method for preparing vacuum plasma self lubrication coating on laser micro texture surface

A preparation method of a laser microtexture surface vacuum plasma self lubricating coating, including the following steps: (1) substrate surface pretreatment; (2) scanning processing microtexture; (3) after cleaning vacuum; (4) coating preparation; (5) post-processing. The preparation method of the vacuum plasma self lubricating coating on the laser microtexture surface can reduce the friction coefficient and the wear amount of the metal surface, prolong the service life of the texture, and improve the adhesion and thermal fatigue properties of the coating.

【技术实现步骤摘要】
一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法
本专利技术涉及金属表面处理领域，具体地说，涉及一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法。
技术介绍
机械装备金属表面的性能对其可靠运行发挥着重要的作用，其中表面的摩擦学性能是决定机械零部件的磨损失效能力的关键因素之一。摩擦磨损会造成机械装备零件的表面形状和尺寸在工作过程中缓慢而连续损坏，造成机器的工作性能与可靠性降低。据统计，世界上使用的能源约有30％-50％消耗于摩擦，而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因，大约有80％的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的。目前表面改性技术中，基于表面仿生的表面织构化技术是当前极具潜力的提高表面耐磨性的方法，然而在较为恶劣的干摩擦工况下，织构本身的结构性磨蚀损耗严重，降低了材料表面的服役寿命。因此，考虑在涂层表面制备特殊涂层，为织构提供保护的同时降低摩擦损耗。目前多种固体自润滑材料中Mo具有较高的热导率和较低的热扩散率，在摩擦高热的工况中仍能够持续工作，其优异的表面耐磨性能使其特别适合工作于滑动干摩擦条件下，但是目前涂层的制备技术不尽理想，主要问题是与基体表面的结合力不强，而且长时间摩擦磨损情况下涂Mo层的开裂、脱落会愈加严重。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种表面织构与等离子喷涂自润滑复合减磨涂层的制备方法。在所述制备方法中，一方面固体自润滑涂层的存在能够降低摩擦系数，延长织构作用寿命，另一方面织构的引入能够存储润滑材料，可向涂层提供持续润滑，并且织构可以提高涂层结合力和热疲劳性能。为实现上述目的，本专利技术提供一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法，包括如下步骤：(1)基材表面预处理对基材表面进行清洁和喷砂预处理；(2)扫描加工微织构用固体脉冲激光器在基材表面扫描加工微织构，织构形状为正弦曲线，加工行进方向垂直于基材的工作方向；(3)清洗后抽真空对步骤(2)织构加工后的基材表面进行超声清洗，清洗后放入真空室并抽真空；(4)涂层制备在真空状态下，利用等离子热喷涂工艺对基材表面进行涂层制备，首先喷涂制备NiAlMo结合层，然后再喷涂制备Mo自润滑层；(5)后处理将步骤(4)所得喷涂后的基材自然冷却至室温，用压缩空气除去涂层表面杂质。优选地，步骤(1)所述喷砂工艺选用Al2O3或SiO2颗粒，喷砂后基材表面的粗糙度值为Ra＝3-5μm。优选地，步骤(2)所述固体脉冲激光器为脉冲Nd:YAG激光器，扫描速度为250-270mm/s，光斑直径为100-200μm，脉冲宽度为100-200ns，脉冲频率为20-30kHz。优选地，步骤(2)所述微织构曲线的宽度为150-300μm，深度为50-70μm。优选地，步骤(2)所述微织构曲线等间距平行分布，间距为3-4mm。优选地，步骤(4)所述NiAlMo结合层的厚度为20-40μm，Mo自润滑层的厚度为50-80μm。优选地，步骤(4)所述喷涂工艺的送粉速率为20-25g/min，喷涂距离为190-220mm。优选地，步骤(4)所述涂层制备过程中基材试样保持旋转运动，转速为60-70r/min，并用压缩空气对试样背面进行冷却。具体地，上述步骤(2)的激光参数如表1所示，上述步骤(4)的喷涂参数如表2所示。表1功率，W80-100扫描速度，mm/s250-270光斑直径，μm100-200扫描次数3-5脉冲宽度，ns100-200脉冲频率，kHz20-30表2本专利技术的有益效果：在本专利技术所述制备方法中，首先在基材表面以去除材料的方式加工正弦曲线形成微织构的沟槽，然后在其上面喷涂形成NiAlMo中间结合层，最后在表面喷涂形成Mo自润滑涂层。其中，微织构的沟槽结构可提高后续涂层的结合强度，更重要的是，在表面涂层摩擦磨损达到一定程度后，基材表面部分裸露，该织构能够保留固体自润滑材料并逐渐形成仿生耐磨层。NiAlMo结合层主要用于提高Mo喷涂层的结合强度，尤其是在高速干摩擦大量生热的工况条件下提高涂层的热传导能力，从而提高涂层的热循环过程冲击韧性。Mo自润滑涂层主要为材料提供固体自润滑的表面条件，降低摩擦系数和磨损量。附图说明图1为复合减磨涂层示意图；图2为正弦曲线结构示意图；图3为真空仓内旋转喷涂过程示意图；图4为不同涂层磨损量对比图；其中：LT-S/VPS-NM：本专利技术所述激光微织构-正弦曲线/真空等离子喷涂-NiAlMo结合层及Mo自润滑复合涂层；LT-C/VPS-NM：激光微织构-均布微孔/真空等离子喷涂-NiAlMo结合层及Mo自润滑复合涂层；VPS-NM：仅使用真空等离子喷涂-NiAlMo结合层及Mo自润滑涂层；VPS-M：仅使用真空等离子喷涂-Mo自润滑涂层；APS-M：仅使用大气等离子喷涂-Mo自润滑涂层；304L：无涂层的304L不锈钢基体表面。图5为不同图层摩擦系数对比图。具体实施方式实施例1(1)基材表面预处理选用不锈钢基材，除油除锈，表面清洁，选用Al2O3颗粒进行喷砂预处理，喷砂后基材表面的粗糙度值为Ra＝3-5μm；(2)扫描加工微织构用脉冲Nd:YAG激光器在基材表面扫描加工微织构，激光参数为：扫描速度为250mm/s，光斑直径为200μm，脉冲宽度为200ns，脉冲频率为30kHz；织构形状为正弦曲线，如图2所示，曲线方程为y＝2sin(36x)，各曲线等间距平行分布，间距为3mm；加工行进方向垂直于基材的工作方向；(3)清洗后抽真空对步骤(2)织构加工后的基材表面进行超声清洗，清洗后放入真空室并抽真空；(4)涂层制备如图3所示，在真空状态下，利用等离子热喷涂工艺对基材表面进行涂层制备，喷涂参数如表2所示，首先喷涂制备NiAlMo结合层，厚度为40μm，然后再喷涂制备Mo自润滑层，厚度为50μm，喷涂工艺的送粉速率为20g/min，喷涂距离为220mm，涂层制备过程中基材试样保持旋转运动，转速为60-70r/min，并用压缩空气对试样背面进行冷却；(5)后处理将步骤(4)所得喷涂后的基材自然冷却至室温，用压缩空气除去涂层表面杂质。所得涂层的结构示意图如图1所示。实施例2实施例2与实施例1的不同之处在于：步骤(1)选用SiO2颗粒进行喷砂预处理；步骤(2)中的激光参数为：扫描速度为270mm/s，光斑直径为100μm，脉冲宽度为100ns，脉冲频率为20kHz，曲线间距为4mm；步骤(4)中NiAlMo结合层的厚度为20μm，Mo自润滑层的厚度为80μm，喷涂工艺的送粉速率为25g/min，喷涂距离为190mm。其它同实施例1。实施例3实施例3与实施例1的不同之处在于：步骤(2)中的激光参数为：扫描速度为260mm/s，光斑直径为150μm，脉冲宽度为150ns，脉冲频率为25kHz，曲线间距为3.5mm；步骤(4)中NiAlMo结合层的厚度为30μm，Mo自润滑层的厚度为70μm，喷涂工艺的送粉速率为22g/min，喷涂距离为200mm。其它同实施例1。磨损试验：取实施例1所得基材涂层，在下述实验条件下考察其磨损量和摩擦系数。实验设备：BRUKER公司生产的CETR-UMT-3MO型多功能摩擦磨损试验机；摩擦方式：往复式干摩擦；试验环境温度：室温；接触方式：球-盘接触；对磨球：直径为9.5mm的轴承钢钢球；试验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)基材表面预处理对基材表面进行清洁和喷砂预处理；(2)扫描加工微织构用固体脉冲激光器在基材表面扫描加工微织构，织构形状为正弦曲线，加工行进方向垂直于基材的工作方向；(3)清洗后抽真空对步骤(2)织构加工后的基材表面进行超声清洗，清洗后放入真空室并抽真空；(4)涂层制备在真空状态下，利用等离子热喷涂工艺对基材表面进行涂层制备，首先喷涂制备NiAlMo结合层，然后再喷涂制备Mo自润滑层；(5)后处理将步骤(4)所得喷涂后的基材自然冷却至室温，用压缩空气除去涂层表面杂质。

【技术特征摘要】
1.一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)基材表面预处理对基材表面进行清洁和喷砂预处理；(2)扫描加工微织构用固体脉冲激光器在基材表面扫描加工微织构，织构形状为正弦曲线，加工行进方向垂直于基材的工作方向；(3)清洗后抽真空对步骤(2)织构加工后的基材表面进行超声清洗，清洗后放入真空室并抽真空；(4)涂层制备在真空状态下，利用等离子热喷涂工艺对基材表面进行涂层制备，首先喷涂制备NiAlMo结合层，然后再喷涂制备Mo自润滑层；(5)后处理将步骤(4)所得喷涂后的基材自然冷却至室温，用压缩空气除去涂层表面杂质。2.根据权利要求1所述的一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述喷砂工艺选用Al2O3或SiO2颗粒，喷砂后基材表面的粗糙度值为Ra＝3-5μm。3.根据权利要求1所述的一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述固体脉冲激光器为脉冲Nd:YAG激光器，扫描速度为250-270mm/s，光斑直径为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊鹏，刘衍聪，战祥华，贾德龙，马健，肖培发，黄超，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37