激光熔覆二硫化钼氟化物复相自润滑涂层及摩擦磨损学特性.pdf

激光熔覆二硫化铝/氟化物复相自 润滑涂层及摩擦磨损学特性 激光熔覆二硫化铝/氟化物复相自润滑涂层 及摩擦磨损学特性摘要固体润滑技术对于解决一些宇航、冶金、化工、热核工业装备等关键零部件的摩 擦、磨损问题具有重要意义。然而仅依靠单一固体润滑剂无法满足宽温域范围内的低 摩擦磨损，故可以采用固体润滑剂复合的方法，利用不同固体润滑剂之间的互补作用，以达到环境对材料摩擦性能的要求。所以合理搭配多种固体润滑剂，利用它们协同效 应以解决因温度升高而导致的零部件润滑失效问题是近年来自润滑技术的发展方向 之一。本文运用激光熔覆技术，在Crl2Mo V模具钢上分别制备了自熔性Ni基 Mo S2/LaF3 CeF3复相自润滑涂层和非自熔性Co基Mo S2/CaF2复相自润滑涂层两种复 合材料体系，并对它们的相结构、显微组织、硬度及摩擦磨损特性进行了系统的研究，测定了室温下不同成分固体润滑涂层的摩擦系数和磨损量，分析了固体润滑相的存在 对涂层耐磨性的影响，并通过观察磨损形貌揭示了不同成分涂层的磨损机制。激光熔覆非自熔性C。基自润滑复合涂层表面形成了气孔、裂纹缺陷，熔覆层内 部存在空洞。涂层组织为致密的网状，表现出枝晶生长的特征。激光熔覆自熔性Ni 基自润滑复合涂层表面由于金属飞溅形成了许多粘着的未融化、团聚的粉末颗粒。涂 层内部无明显缺陷，与基体形成了很好的冶金结合，基体对涂层底部有稀释。Co基 固体润滑涂层根据成分的不同平均硬度均在601713 HV之间，低于纯Co合金涂层 的平均硬度753HV,但相比于基体的硬度550HV有所提高，Ni基复合涂层的平均硬 度普遍低于600HV,对于提高基体的硬度没有太大帮助，这是由于加入的固体润滑 剂质地较软，降低了涂层的整体硬度。常温下的摩擦磨损实验结果：Co基Mo S2/CaF2复相自润滑涂层的摩擦系数大致 都在0.40.5之间，而Ni基Mo S2/LaF3 CeF3复相自润滑涂层的摩擦系数大致都在 0.430.48之间，复相涂层与纯Co、Ni合金涂层及基材的摩擦系数相比有所减小。相同条件下基材的磨损量约为纯钻、纯银合金涂层的4倍左右，远大于Co、Ni复合I自润滑涂层。两种复相自润滑涂层的抗磨减摩作用明显。关键词：激光熔覆，复相自润滑，LaF3CeF3,摩擦系数，协同润滑IIFRICTION AND WEAR PROPERTIES OFMOS2/FLUORIDE SELF-LUBRICATINGCOATINGS BY LASER CLADDINGABSTRACTSo lid self-lubricating tech no lo gy h as great signif icance to so lv e so me f rictio n and wear pro blems in aero space,metallurgy,ch emical industry,th ermo nuclear industrial equipment and o th er key parts o f it.Ho wev er,single so lid lubricant cant wo rk under a wide range o f temperature with lo w f rictio n and wear.Th eref o re,we can make co mpo site so lid lubricant co atings to meet th e requirements o f env iro nment o n th e pro perties o f f rictio n materials.With reaso nable co llo cating a v ariety o f so lid lubricant,it can so lv e lubricatio n f ailure pro blem caused by th e tenperature rising,and it is o ne o f th e dev elo ping directio n o f lubricatio n tech no lo gy in recent years.In th is paper,by ado pting th e laser cladding tech no lo gy,we preparare th e Ni base M0S2/LaFs-CeFs self-lubricating co ating and Co based M0S2/CaF?self-lubricating co ating material system Study th eir ph ase structure,micro structure,h ardness and f rictio n ch aracteristics,and analyse th e inf luence o f th e existence o f so lid lubricatio n ph ase,th e inf luence o f dif f erent lubricatio n co ntent to f rictio n co ef f icient and wear v o lume at ro o m tenperature is measured,th ro ugh th e wear mo rph o lo gy rev eal th e wear mech anism o f dif f erent co npo nents o f co ating.Th ere are cav ity,blo w h o le and crack def ects in th e surf ace o f Co base sell-lubricating co mpo site co ating.Th e co atings h av e dense mesh,and sh o w th e ch aracteristic o f th e dendrite gro wth.Th ere are reunio n o f po wder particles o n th e surf ace o f f luxed Ni base self-lubricating co rrpo site co ating,due to many no t iwlt adh esiv e f o rmed by splatter.Th ere h av e no o bv io us f law in th e co ating,and it f o rm a go o d metallurgical co mbinatio n with th e matrix.Th e bo tto m o f th e co ating is diluted,and M0S2 mo stly o ccurred in th e cladding layer part af ter deco mpo sitio n.Th e av erage h ardness o f th e Co base self-lubricating co mpo site co ating were lo wer th an th at o f pure Co allo y co ating,but co mpared with th e matrix h ardness is impro v ed.Th e av erage h ardness o f Ni base ellubricating co mpo site co ating is generally lo w,with o ut to o much h elp f o r enh ancing th e h ardness o f th e matrix.lt may be due to th at th e so lid lubricants jo ined are inso f t in texture,and th ey reduce th e o v erall h ardness o f co ating.Under th e no rmal temperature co nditio n th e f rictio n and wear experimental result sh o ws th at:f rictio n co ef f icient o f Co base M0S2/CaF?self-lubricating co ating is between 0.4 0.5,and f rictio n co ef f icient o f Ni base M0S2/LaFs-CeFs self lubricating co ating is between 0.43 0.48.Th is is less th an th e f rictio n co ef f icient o f pure Co and Ni allo y co ating and base material.Th e amo unt o f base material wear is abo ut f o ur times th at o f pure co balt,nickel allo y co ating under th e same co nditio n,and it is f ar mo re th an th e wear amo unt o f Co,Ni self lubricating co npo site co ating.All o f abo v e sh o ws o bv io us ef f ect o f ro ugh ly antif rictio n antif rictio n.KEY WORDS：laser cladding,co mplex ph ase self lubricatio n,LaFs-CeFs,f rictio n co ef f icient,co llabo rativ e lubricatio nIV目录第一章绪论.11.1 选题背景及意义.11.2 固体润滑技术的研究现状.21.2.1 固体润滑技术.21.2.2 固体润滑剂.21.2.3 固体润滑机理.41.2.4 固体润滑技术的应用现状.51.3 激光熔覆金属基固体自润滑涂层.71.3.1 激光熔覆技术.71.3.2 金属基固体自润滑涂层.71.3.3 国内外研究现状.81.4 本文研究内容.9第二章试验内容与方法.112.1 技术路线.112.2 自润滑涂层的制备.112.3 实验设备.142.3.1 激光熔覆设备.142.3.2 X射线衍射仪.152.3.3 金相显微镜.152.3.4 扫寸苗电镜.152.3.5 显微硬度计.152.3.6 摩擦磨损机.152.4 工艺参数的制定方法.162.5 本章小结.19第三章 激光熔覆Co基Mo S2/CaF2自润滑涂层的组织结构.203.1 激光熔覆纯Co涂层.20v3.1.1 宏观形貌.213.1.2 组织及结构.233.2 激光熔覆Co基Mo Sz/CaF2涂层.253.2.1 Co 基 Mo Sz/CaFz 涂层相结构.253.2.2 Co基Mo S2/CaF2涂层显微组织.263.2.3 Cb基涂层硬度测试.323.3 本章小结.33第四章激光熔覆Ni基Mo S2/LaF3CeF3自润滑涂层的组织结构.344.1 激光熔覆纯Ni涂层.344.1.1 宏观形貌.354.1.2 组织及结构.364.2 激光熔覆Ni基Mo S2/LaF3-CeF3涂层.374.2.1 Ni 基 MoS2/LaF3-CeF3 涂层相结构.384.2.2 Ni基Mo S2/LaF3-CeF3涂层显微组织.394.2.3 Ni基涂层硬度测试.434.3 本章小节.45第五章复相自润滑涂层的摩擦磨损行为.465.1 熔覆层摩擦系数.465.2 磨损量.495.3 磨损形貌与机制.515.4 本章小节.55第六章总结与展望.566.1 结论.566.2 展望.57参考文献.58攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果.62致谢.63VI上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论第一章绪论1.1 选题背景及意义摩擦磨损是机械零件失效的三种主要原因之一。有资料显示，全世界由于摩擦磨 损而被消耗的一次性能源占能源总消耗的1/3,由于磨损而失效的设备零部件占总数 的80%,而由于润滑失效和过度磨损所引起的机械事故占总事故的50%以上，更有 工业发达国家每年因磨损造成的损失超过千亿美元川。在全球能源短缺，环境恶化的 严峻形势下，抗磨减摩在经济社会中的作用显得尤为重要。在我国的工业发展进程中，平均每年因设备零部件腐蚀、磨损而造成停产、报废的损失占国民经济总产值的3%5%,这已成为制约我国走新型工业化道路和经济可持续发展道路的瓶颈。因此，现 代化工业的发展、高新技术的研究及新能源的开发等诸多领域都迫切需要改进润滑技 术，使工程机械能够在如高温重载、超低温、高真空、高辐射和强氧化等诸如此类的 苛刻条件下能够正常运转2-刃。对于航空航天、空间环境、机械加工和交通运输等工 业领域中的一些关键零部件（如航天器滚动轴承、空间机械、机车轮缘、大型轨道摩 擦副等）来说，其材料的摩擦学特性是保障这些装备稳定运行与安全运行的可靠依据。传统的油、脂润滑在这些零部件特殊的工况应用条件下早已达到了使用极限，因此固 体润滑技术应运而生。固体润滑技术是利用固体润滑剂使不具备润滑功能的基体材料 在与其它摩擦副产生摩擦时界面处形成一层固体润滑膜，以改善材料的摩擦学特性的 方法。与传统的油、脂润滑相比，固体润滑技术更能满足现代化工业对材料润滑性能 的要求。将固体润滑技术应用在金属材料，制备金属基固体自润滑复合材料已成为材料科 学研究与开发的重点之一。这种复合材料同时具有金属基体优异的力学性能和固体润 滑组元良好的润滑特性，适宜在各种特殊工况条件如不同的大气环境、化学环境、电 气环境、高温、低温、高真空、强辐射下工作。目前用于制备金属基固体自润滑复 合材料的方法主要有粉末冶金法、磁控溅射法、化学气象沉积（CVD）、等离子喷 涂网、超音速火焰喷涂（hvof）9及激光熔覆技术等。激光熔覆技术由于具有能量密度 第1页上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论高，形成覆层致密，热影响区小，且厚度可控，覆层与基体可实现冶金结合，属于绿 色制造等优点，被认为是制备复合涂层最理想的方法之一。目前世界能源短缺、且对环保要求越来越高，将激光熔覆技术与固体润滑技术结合，研制金属基固体自润 滑复合涂层，对于节能环保和高温、高速、高真空、重载及强氧化等苛刻环境下工作 的关键基础件的摩擦、磨损及润滑问题具有重大意义。1.2 固体润滑技术的研究现状1.2.1 固体润滑技术利用固体润滑剂在摩擦界面进行润滑的技术叫做固体润滑技术。将润滑剂（固体）涂、镀于摩擦副界面，以减小摩擦减少磨损的方法叫做固体润滑。固体润滑技术最早 应用于军事工业，后来应用于一些高科技领域，用以解决一些液体润滑剂难以实现的 润滑问题。如今固体润滑技术已经推广到常规生产领域中，其应用得到了迅速的发展 并取得了良好的效果。固体润滑的理论研究日益增多，应用固体润滑技术解决润滑问 题所取得的成效也日益显著。但是，作为固体润滑剂的各种物质润滑机理还有待深入 研究，许多制备工艺有待完善IPS,润滑技术的效果和经济效益也有待提高。1.2.2 固体润滑剂作为固体润滑剂的物质种类有很多，表1-1显示的为几种常见种类。总的来说，固体润滑剂可分为有机物和无机物，有机物包括尼龙、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等，而 无机物中包括层状物质、软金属、氟化物和氧化物等。有机润滑剂的优点是具有一定的韧性和化学稳定性，其摩擦学特性受气氛的影响 较小，低温性能好，缺点是承载力差，不适宜在高温环境下使用，如PTFE在高温下 蒸发率较高。无机物中具有层状晶体结构的固体润滑剂在大气中作用时，一般只在 低温时有效。如石墨是一种层状固体润滑单质，在温度为550时发生氧化，而此温 度之前，它的摩擦系数随着温度的上升而下降，此外石墨在潮湿介质中的摩擦磨损性 能比在干燥环境中要好，是由于石墨能吸附水气而使层间易于滑动。M0S2润滑性 能优良，应用广泛，也具有层状结构，其中M。原子和S原子通过共价键结合成六方 晶系，每个分子层的M。原子与S原子之间结合力很强，而分子之间的M。原子与S 原子之间的结合力很弱，因而产生了一个低剪切力的平面，当分子之间受到很小的剪 切力时沿分子层很容易断裂，而形成滑移面，这些众多的滑移面使原来相对滑移的两 第2页上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论金属表面的直接接触转化为Mo S2分子层的相对滑移，正是由于Mo S2晶系分子层间 易滑移，所以保证了该物质具有良好的润滑性,从而降低了摩擦因数，减少了磨损身。大气高温环境下Mo S2会发生氧化，而在真空高温环境中表现出优异的润滑性能，故 M0S2 一般用于大气非高温环境下的润滑。软金属如Ag、Pb、Sn、In等质地较软，承载能力较差，只能以薄膜形式或与其它材料复合的形式使用，其使用条件可以是超 低温、几百度的高温或真空环境。金属氧化物固体润滑剂一般适用于高温下的润滑，如PbO在常温下摩擦系数比较大，但在400以上的高温环境中甚至显示出比MoS2 还要好的润滑性，其长时间良好润滑的温度范围是4808502叫同时它也适于 真空中的润滑。金属氟化物固体润滑剂有BaF2、CaF2和NaF等，它们在强氧化和还 原气氛中很稳定，在高温下发生软化而具有润滑性，不适于低温环境的润滑】。氟化 物固体润滑剂中有一类重要的化合物是稀土氟化物a】，如LaF3和CeF3。据文献报道 23-25,LaF3和CeF3能有效润滑银基合金，润滑结果显示室温时摩擦因数达0.5,而在 500以上，摩擦因数仅为0.2左右。表17 常见的几种固体润滑剂类型Tab.1-1 Sev eral co mmo n types o f so lid lubricants物质种类润滑剂分类常见物质（适用条件）适用条件层状固体润滑剂石墨、BN低温有效（大气）WS2 MoS2低温（大气）、高温（真空）无机固体软金属Ag、Pb、Sn、In可用于超低温、身温、真空润滑剂氧化物MOO3、V2O5、B2O3、PbO高温氟化物CaF2 BaF2 NaF局温稀土化合物LaF3 CeF3高温有机固体润滑剂PTFE（聚四氟乙烯）不适于高温（蒸发）复合固体润滑剂Mo S2+PbO Ag+BaF2 CaF2宽温域止匕外，由于单一固体润滑剂的使用条件具有局限性，很难满足环境对摩擦性能的 综合要求和高性能指标26,故人们采用几种不同性质固体润滑剂复合的方法来满足复 第3页上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论杂环境对材料润滑性的要求,如Mo S2+PbO,Mo S2+ZnO,石墨+银,M0S2+C+Z11S+CaF2 等材料的复合。相关文献27,28表明，受极端苛刻的服役条件所限，迄今为止，零部 件材料依靠单一固体润滑剂，在大气环境下，还无法实现从室温至高温（1000C以上）范围内稳定的低摩擦磨损。美国NASA研制了含有Ag和BaF2-CaF2共晶体的PS212 材料,Ag的加入保证了材料低温下的润滑效果，BaF”CaF2共晶体的加入则保证了材 料在高温下的润滑性能，因此该材料可在800以下整个温度范围内有效网。1.2.3 固体润滑机理两种金属材料表面相互接触并发生滑移，产生相对运动时，如图1-1所示，若是 质地较硬的金属压入质地较软的金属中，两材料接触面积变大，摩擦力也变大，会发 生梨沟现象。而当质地较硬的金属在质地较硬的金属表面发生滑移时，尽管接触面积 不变，但质地较硬的金属屈服强度较大，摩擦力变大，摩擦表面温度升高，易发生咬 合现象29-30。如果质地较硬的金属之间有一层剪切强度很小的薄膜，则两金属材料间 既能保证接触面积不增加，又能保证剪切强度减小。此时摩擦所引起的塑变主要发生 在薄膜之内，摩擦力和摩擦因数都能降低，这就起到了固体润滑的作用。固体润滑膜 的形成方法有很多，主要是通过镀层、涂层等方法将固体润滑剂粘着在硬质材料表面 而形成，摩擦时润滑膜转移到对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在润滑膜和转移 膜之间，即两材料表面发生的摩擦实际是转移在固体润滑膜之间的摩擦，所以摩擦系 数减少，磨损降低31o润滑膜能够防止两个发生滑移的材料表面的直接接触，能够 减小接触面的剪切强度，从而显著减小摩擦系数。BLAU和YUST32的观点表明：当 存在固体润滑时，摩擦副之间的摩擦力分为两部分，对偶与金属基体之间的摩擦力和 对偶与润滑膜之间的摩擦力：F=OmFm+%Fi（1-1）其中，Om和5分别为金属基体和润滑膜与对偶接触的面积，Fm和F1分别为金 属基体和润滑膜上的分力。摩擦副间的摩擦因数可表示为产。%+过匕（1-2）或第4页上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论产 0_xJ%+X出(1-3)式中。和X1分别是裸露的金属基体面积和固体润滑膜面积占总表面积的比例，Nm和内分别是金属基体和固体润滑膜与对偶材料的摩擦因数。式中可以看出，润滑 膜覆盖的面积越大，总摩擦因数越低，润滑效果越好。Fig.1-1 Th e principle diagram o f th e lubricating f ilm ro le 口1.2.4 固体润滑技术的应用现状通常实现固体润滑的工艺包括：a.将固体润滑剂和其它材料成型原料整体烧结 组成复合材料；b.通过涂层、镀层的方法在需要润滑的材料表面制成固体润滑膜；c.可以用油脂润滑剂与固体润滑剂复合润滑。需要根据不同的条件和情况选择不同的 润滑方法。在机械传动中通常采用制备涂层、镀层的方法形成固体润滑膜以达到润滑目的，机械零件的摩擦形式主要为滑动摩擦和滚动摩擦，常见的传动部件包括齿轮、导轨、轴承、气缸与活塞等。固体润滑轴承是通过镶嵌软金属、层状结晶材料、高分子复合 材料等进行固体润滑,或用粉末冶金法整体烧结而制成复合材料，以达到减磨的目的;齿轮一般采用固体粉末喷涂、飞溅等方式在表面制成固体润滑膜，这是因为齿轮润滑 条件比轴承复杂，负荷条件苛刻，且接触应力很大，一般在500 Mpa3000 MPa之 间，接触变形和温升也较大因。易小勇刖等为了改善某阀门电动装置蜗轮蜗杆传动 第5页上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论中原有的润滑状况，通过磷化+钛酸钾晶须处理的工艺制备了复合固体润滑膜，达到 了减磨的效果。美国将研制的PTFE基背衬型轴承材料，成功地应用在B-1型超音速 战略轰炸机和F-14型战斗轰炸机等可变主翼的支承轴承上，这种材料的动载能力达 到了 300 MPa-350 MPa,静载能力达到了 900 MPa。英国Witf c）rd公司研发的Xylan 粘接固体润滑膜，不仅提高了发动机的效率，改善了其滑动性能和密封性，还起到了 减震、降噪和取消磨合工序的作用，被成功的应用于汽车发动机的活塞环、活塞裙、气缸以及连杆机构的大头轴承和小头轴承等部位,如“美洲豹为气车,年产近百万辆3叫 在机械加工中通常采用添加固体润滑剂的方法来进行润滑。例如，切削加工时，会在油基或水基切削液中添加各种固体润滑剂，或直接采用固体润滑效果更好。如在 润滑油中加入铅皂、二硫化铝或胶体石墨等组成的膏状物，可用于有跳动或弹性振动 的切削状况，也可用于切削速度较低的加工，可直接涂抹在刀具上或配成乳化液使用。拉拔加工时，材料有高的拉拔速度，一般先将造模处理，再浸渍、刷涂或通过化 学反应将固体润滑剂微粒均匀地分布在坯料、模具和铜芯等摩擦表面上，起到减摩作 用；金属锻造的冲击力高达1.5 GPa2.5 GPa,要求润滑剂具有良好的极压性和粘着 性，冷锻时，可以在润滑油中悬浮胶体石墨，温锻时，一般采用在水基或油基中添加 石墨和M0S2进行润滑；在挤压加工中，一般选用粘度较大且挤压性能好的矿物油或 植物油作为基础油，然后添加胶体石墨或MoS2固体润滑剂RI。对于在特殊工况如高（低）温、高真空、高辐射、高负荷等条件下工作的零部件来 说，固体润滑技术也可以解决它们的润滑问题。首先，固体润滑技术的适用温度范围 很宽，可以从-200C以下的低温应用到1 000C以上的高温，如日本东京大学的H-2 型火箭（液氢、液氧发动机）和ETS-4实验卫星滚动轴承的润滑都采用了固体润滑系统,法国的SPOT地球观察卫星望远镜上反射镜支承机构和欧共体联合研制的阿里安娜 火箭中的涡轮泵用轴承也采用了固体润滑3%其次，固体润滑技术不会对真空环境构 成污染，且有适于真空中使用和耐辐射性能的固体润滑剂，可以解决与空间技术有关 的特殊磨损失效问题，如MOS2和PIPE具有优异的真空摩擦学性能mi,铅是耐辐射 能力特别强的软金属固体润滑添加剂；最后，用石墨等耐负荷性能好的固体润滑材料 制成粘结固体润滑膜，可用于解决高负荷条件下的润滑难题，如中国科学院兰州物理 研究所研制的PEP粘接固体润滑膜在四川建筑机械厂生产的塔吊设备上就获得了成 功的应用4。第6页上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论1.3 激光熔覆金属基固体自润滑涂层1.3.1 激光熔覆技术激光熔覆作为表面改性的一种方法，是通过激光的高能量密度加热，使加入工件 表面的粉末材料和基体金属材料一起迅速熔化，快速凝固，从而在工件表面形成与其 冶金结合并具有一定特性的熔覆层。主要特性为：(1)采用激光的高能量密度快速加热，故对基材热影响小，引起的畸变小、生产 率高；(2)粉末成分不受冶金热力学条件限制，可在低熔点金属表面熔覆高熔点合金，故所选熔覆材料范围广泛，包括铁、钻、银、碳化物及各种陶瓷材料；(3)涂层稀释率低，调节工艺参数可以控制熔覆层成分、稀释率、组织性能、厚 度和形状，故可以用来制备各种类型的复合涂层及实现废旧零件的再制造；(4)可以有选择性的进行熔覆，即进行工件的表面修复，灵活性高，耗材少，性 价比高；(5)快速凝固过程，易产生细晶组织和非晶态、非稳相等；(6)涂层成分、厚度可控，过程易实现工业自动化。1.3.2 金属基固体自润滑涂层金属基固体自润滑涂层同时具有金属基体优异的力学性能和固体润滑组元良好 的润滑特性，适宜在各种特殊工况条件如不同的大气环境、化学环境、电气环境、高 温、低温、高真空、强辐射下工作。涂层的摩擦学性能主要取决于摩擦过程中金属 基材表面固体润滑膜的不断形成，补充，并转移去对偶材料的能力。金属基体按金属 合金材料可分为难熔金属(如铝、铝)基复合涂层、低温金属(如铁、铜)基复合涂 层，软金属(如银)基复合涂层和高温金属(如银)基复合涂层等。目前，应用研究 较多的为Ni基、C。基和Ni-Cr基。金属基体材料中加入固体润滑剂虽然会增加材料的抗摩性能，却导致其承载能力 的下降，故可以同时添加硬质颗粒对基体材料起到强化的作用。然而，各种粉末、颗 粒与基材间的相容性及结合程度都会最终影响整个材料的力学性能，所以材料摩擦学 性能和力学性能的统一仍然是金属基固体自润滑涂层的研究存在的主要问题。第7页上海工程技术大学硕士学位论文 第章绪论针对单一固体润滑剂的使用条件具有局限性，无法满足复杂环境对摩擦性能综合 要求的问题，人们开始采用多种固体润滑剂复合的方法，利用不同固体润滑剂之间的 互补作用，以达到复杂环境对材料摩擦性能的要求。多种固体润滑剂复合时应考虑以 下原则：(1)多种固体润滑剂的润滑效果不能相互抵消；(2)所选的不同种类的固体润滑剂需有不同的适用范围；(3)基体和不同种类的固体润滑剂都应具有一定的匹配性；(4)涂层的制备工艺应同时满足不同固体润滑剂的要求。1.3.3 国内外研究现状H.M.WangRi利用CO2激光器在仙。3基材上熔覆制备了 CaFz/AbCh陶瓷基复合 涂层，室温下涂层摩擦系数为0.48。张祥林等阳分别采用Nd:YAG激光器与CO2激光器在45号钢表面制备了 Ni45-CaF2-WS2固体自润滑复合涂层，用来解决铝合金板料的温成形过程中模具和铝 合金板间的高温润滑问题，结果表明，CO2激光器较Nd:YAG激光器更适合该类涂 层的制备O闫华43等在铜基体上采用Nd：YAG激光器制备了 Co基复合TiC/CaF2自润滑涂 层，研究发现，400。(2时该涂层具有良好的抗摩擦磨损性能，且随着涂层中CaF2含 量的增加与TiC含量的减少，磨擦系数与磨损率明显降低。激光熔覆制备金属基固体自润滑涂层时能量密度很高，Ag、CaF2等固体润滑剂 熔点较低，与陶瓷粉末相容性差，熔覆过程中会发生分解、挥发和不相容，从而使涂 层中固体润滑相含量急剧降低，针对这个问题有学者提出包覆润滑剂的方法。Wang A HR，等利用激光制备了一组用纳米保包覆的WS2银基自润滑复合涂层 和一组不用包覆的银基WS2自润滑复合涂层进行对比，结果显示，纳米银包覆ws2 制备出的自润滑复合涂层摩擦系数明显低于未包覆纳米镇的涂层。Sh itang Zh ang等邓1采用激光熔覆技术制备Ni/h BN自润滑复合涂层，其中化学 镀Ni包覆h BN粉末，结果显示复合涂层中各组成相连续均匀地分布在基体中，且 涂层具有高硬度和良好的抗磨减摩能力。刘秀波等皿采用Nd：YAG激光熔覆技术，以NiCr-Cr3c2-40%CaF2(质量分数)第8页上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论复合合金粉末为原料，在y-TiAl合金基体表面成功制备出了高温自润滑耐磨复合材 料涂层，并对涂层进行了组织结构和摩擦磨损性能分析。结果表明，采用Ni-P化学 镀包覆会使CaF2颗粒大部分得以保留，并且增强了涂层与NiCrAm（y）金属基体的相 容性，该复合材料涂层具备了良好的自润滑和耐磨效果。目前的机械零部件不仅要求它们具有良好的耐高（低）温性能，还要具有一定的 使用范围，如更宽范围的使用温度和承受载荷，但一般的固体润滑剂只在很小的作用 范围内有效，一旦失效将导致严重事故的发生，如M0S2和石墨在350 C以上的温度 下润滑作用会减弱甚至失效皿；CaF2和BaF2在高温下具有较好的润滑性能，但是在 500 以下时不具备润滑效果即。因此，人们开始利用多种固体润滑剂的协同作用以 满足复杂环境的要求。IS.Zh o u等在不锈钢表面激光熔覆制备了 NiAl-Ag-h BNH91和 Ni-h BN5。】自润滑涂层，Ni-h BN涂层在400表现出良好的自润滑性能；由于润滑相 Ag与h BN的协同作用，NiAl-Ag-h BN涂层在室温到800之间具有较低的摩擦系数。杨胶溪等通过在银基合金中添加MoS2,利用激光熔覆技术在20CrMo钢基材 表面制备了 Mo S2/Ni基复合涂层。研究结果表明，在试验温度20800范围内，复 合自润滑涂层的摩擦系数明显比Ni基合金涂层低，且随着涂层中M0S2含量的增加，涂层摩擦系数呈降低趋势，在M0S2同含量的复合材料中，随着试验温度的升高，摩 擦系数呈现先降低后升高的趋势，M0S2含量为8%的复合自润滑涂层摩擦系数在600 时达到最小值0.2。俞有军52等利用激光熔覆技术制备了从室温到高温宽温域范围内具有连续自润 滑特性的高温自润滑耐磨覆层，以Ag作为低温润滑相，BaF2/CaF2共晶体作为高温 润滑相，NiCr作粘结相，而NiCr包覆Cr3c2为增强相，在lCrl8Ni9Ti不锈钢表面制 备出了金属基高温自润滑耐磨复合熔覆层。试验结果表明，该熔覆层从室温到500 试验温度范围内表现出了良好的减摩抗磨效果，并且随着温度的升高熔覆层材料表现 出了不同的摩擦磨损机理，从室温到200 温度范围主要表现为粘着磨损和磨粒磨 损共同作用，温度超过200 后主要表现为塑性变形和轻微的粘着磨损。1.4本文研究内容本文主要利用激光熔覆技术，在Crl2Mo y模具钢基材表面制备了 Ni基和Co基 固体自润滑涂层，根据不同成分含量涂层的摩擦磨损行为来评价两种固体润滑剂在摩 第9页上海工程技术大学硕士学位论文第章绪论擦热效应过程中的协同润滑效果，为日后研究复合材料在宽温域(室温1000C)下 的稳定自润滑提供理论依据。主要研究内容包括：(1)金属基固体自润滑涂层的成分设计：根据各固体润滑剂的使用条件和固体润 滑的基本原理进行复合涂层的组成设计，主要以Crl2Mo V模具钢为基材，自熔性银 合金和非自熔性钻合金为金属粘接相；(2)金属基固体自润滑涂层工艺参数的优化：通过比较不同工艺参数下熔覆层的 形成情况和模具钢基材的稀释率大小，找到激光熔覆固体自润滑涂层的最佳工艺参数;(3)金属基固体自润滑涂层的组织结构表征和显微硬度测试:在Crl2Mo V模具钢 基体材料表面用激光器分别熔覆Co合金粉末、Ni合金粉末及不同成分含量的Co基 Mo S2/CaF2粉末和Ni基Mo S2/LaF3-CeF3粉末，研究所形成的各熔覆层的相结构、组 织特征、形成机制及影响因素，测试各个成分涂层的显微硬度并进行比较；(4)金属基固体自润滑涂层摩擦学性能测试：对C。合金涂层、Ni合金涂层、Co 基Mo S2/CaF2涂层和Ni基Mo S2/LaF3 CeF3涂层进行室温下的摩擦磨损性能测试，通 过对比各涂层在室温下的摩擦系数和磨损量,探讨固体润滑组元的成分配比对涂层摩 擦学性能的影晌规律，通过观察磨损形貌揭示各成分涂层的自润滑机制。第10页上海工程技术大学硕士学位论文第二章试验内容与方法第二章 试验内容与方法2.1 技术路线本课题所采用的技术路线如图2-1所示，通过制备两种材料体系的金属基固体自 润滑涂层，分析两种涂层试样的结构组织，测试它们的磨损性能，最终评价固体润滑 剂在金属基体中的协同润滑效果。-H材料体系选择卜-1-INi-MoS2-LaFjCeF388可试样制备与工艺岁数优化润滑相检测与性能测试XRD、SEM、C。2 十 C aFa磨损实验摩擦JB-性能-图2-1技术路线Fig.2-1 Tech nical ro ute2.2 自润滑涂层的制备激光熔覆常用的工艺有粉末同步送粉法和粉末粘结预置法。同步送粉是将粉末用 气体载体直接送入熔池，可以侧送也可以轴送，侧送粉有正向和逆向之分，送粉气流 第11页上海工程技术大学硕士学位论文 第二章试验内容与方法方向与工件运动方向夹角大于90。为逆向，夹角小于90。为正向。逆向侧送粉比正向 侧送粉对合金的利用率高。在此种熔覆工艺中，粉末的流量、激光束与送料喷嘴轴线 夹角和给料距离等参数都对熔覆质量产生影响。同步送粉法易实现自动化生产，可制 备出多层、大面积熔覆层，降低了熔覆层的不均匀性及形成泪珠状表面特征的可能性。但是粉末利用率低，且需要配有复杂的送粉装置及回收装置等，并且要排除粉尘污染。粉末粘结预制法是将粉末与粘结剂调制成膏状,涂在基体表面。常用的粘结剂有清漆、硅酸盐胶、水玻璃、含氧纤维素乙酸、硝化纤维素和环氧树脂，其中含氧纤维素乙醛、硝化纤维素和环氧树脂在低温下可以燃烧汽化而不影响熔覆层的组织性能，且对激光 辐射的吸收率高。粉末粘结预制法所制备的涂层均匀性较差，需消耗更多的激光能量 去熔化，而且粘结剂汽化分解会造成熔覆层污染和气孔等缺陷，故此方法多用于小面 积薄层的改性和修复。本次实验由于只需要制备小面积的自润滑涂层来进行研究，故 所采用的工艺均为粉末粘结预制法。本课题所制备的金属基固体自润滑涂层分为两个材料体系，一类是自熔性Ni基 固体自润滑涂层，添加的固体润滑剂为Mo S2（0.5国n,纯度99%）与LaF3CeF3（15 20pm,纯度99.9%）,另一类是非自熔性C。基固体自润滑涂层，添加的固体润滑剂 为M0S2（0.5即，纯度99%）与CaF2（-150-400目，纯度98.5%）。固体润滑剂均 是直接添加到金属合金粉末，两种涂层体系的基体材料均为Crl2Mo V模具钢（尺寸 为40mmx70mmxlOmm）,化学成分见表2-1,金属合金粉末的化学成分见表2-2。表2-1