一种生成减摩性多孔结构修复涂层的方法与流程

本发明涉及一种生成减摩性多孔结构修复涂层的方法。

背景技术：

目前，国民经济各领域大型装备如工程机械、矿山机械、重型车辆零部件每年因摩擦磨损造成了巨大损失，2008年全国因摩擦磨损造成的损失高达9500亿元。对于磨损部件，处理方式往往是简单地更换新品，粗放、浪费现象严重，与国家倡导的绿色制造、循环经济战略相违背。

分析发现，磨损最为严重的部件一般以滑动摩擦副为主，如滑块与导轨、活塞与腔壁、滑动轴承与轴颈等，特点为：使用中承受着较大的冲击和振动载荷、频繁的接触工作时间，处于极端的高温高压环境之下，制造材料由于种种限制如运行环境、加工工艺等对于极端工况的承受能力有限，经过一段时期运行后精度和安全可靠性有所下降达不到使用要求，但并未完全失效。

因此，在优化设计和装配的前提下，借助先进的再制造手段，在摩擦、磨损部位制备以减摩性为主的高性能涂层，从而恢复乃至提升其服役性能是可行和有利的。如能实现现场甚至在线的快速修复或强化，对于促进经济效益、提高装备完好率、实现可持续发展都有着重要的战略意义。

当前借助先进的表面成形技术，再制造修手段主要有激光熔覆、等离子熔覆、电子束焊接、热喷涂、离子镀、电刷镀等。如装甲兵工程学院徐滨士院士主导推广的自动化高速电弧喷涂再制造成形，自动纳米电刷镀等系统性的再制造修复技术；西北工业大学黄卫东教授等主持的航空发动机钛合金叶片等零部件的激光再制造成形方法；上海宝冶工程技术公司研究和应用了高能微弧冷焊再制造成形技术等；美国Sandia实验室研发了激光近成形LENS的再制造成形技术；加拿大研发微束等离子弧再制造成形技术及其自动化作业设备系统；俄罗斯研发高温合金粉末冶金再制造技术、热障涂层再制造技术等，解决了高温部件等关键零部件的高性能再制造。

综合来看，目前再制造成形以高能量场技术居多，具有速度快、效率高、合金成分可调等特点，但也存在设备复杂、相对成本高、修复厚度不易控制、修复区存在热影响残余应力等问题，实际上对于高熔点硬质材料、损伤较大（体积损伤）的待修复零件会更为理想。而对于材质相对偏软、损伤较小（表面损伤）的摩擦副而言可能并不完全适用。如果修复成本过高甚至超过了更换新品的价值，那就失去了节能降耗的意义。因此客观上需要有一种比较轻便、简单、易控的修复方法。

实际上，作为低成本涂层方法的电沉积技术已引起了业界的注意。电沉积相对工艺简单、操作方便、制备的纳米薄层有着较好的摩擦性能和耐热耐蚀特性，对于损伤量较小零件的修复确实具有高能技术无法比拟的优势。如自动化纳米电刷镀即为典型代表，它在电刷镀液中加入特定功能的纳米颗粒，通过刷笔刷镀得到高性能沉积层，已用于机械零部件表面修复、强化再制造中。此类方法目前在军工装备中使用较多，在民用装备制造业中还未普及。先进表面工程技术群需要类似的技术、方法不断产生，而再制造在智能化、复合化、微纳化和功能化的发展趋势也要求更多具备综合特点的加工方式出现和完善。

技术实现要素：

本发明提供了一种通过射流电沉积方法在摩擦副摩擦磨损位置简便经济地制备多孔结构减摩涂层的方法，对于贵重损伤部件的再利用具有重要意义。该方法具有以下特点：①可制备具有表面多孔纳米结构的铜沉积层，有改变多孔结构尺寸和分布的手段，存在演变为减摩性表面织构的可能；②定域性好易于数控结合。

本发明通过以下方法实现，具体操作步骤如下：

1．基体表面预处理。为获得较好的结合力及沉积效果，需进行以下预处理工序：抛光处理：先用400目金相砂纸打磨基体如摩擦副表面去除其氧化层，再以800、1000目金相砂纸研磨、抛光，确保基体表面达到一定粗糙度；表面清洗：蒸馏水清洗基体表面，后用丙酮擦洗约5分钟除油处理。

2．配置电解液。电解液的成分和和工艺参数分别为：五水硫酸铜250-300g/L，浓硫酸50g/L，电解液温度25℃。

3．工艺参数：矩形喷嘴口径10×1mm，圆形喷嘴口径1-3mm，喷嘴与基体距离2-10mm。电流两种配置方式分别为直流和脉冲：如使用直流电流，电流密度在450-500A/dm²之间为宜，脉冲电流见步骤4介绍。电解液流速200-300L/h，扫描速度为1000mm/分钟。此区间为经验参数供参考之用，可根据实际工况将具体参数在此范围内调节、选择。

4．针对性地控制两大参数：扫描层数、脉冲电流参数可达到改变多孔结构尺寸、分布的效果。根据下列调试原则，可得到均匀分布的微孔蜂窝状结构，微孔尺寸基本在微米级尺度。

1）调节扫描层数： N=400、600、800、1200层。

通过设定数控设备参数，可控制扫描层数为400-1200层。前述技术原理中提到电沉积过程中，首先沿电场方向优先生长形成山顶山脊，构成经线状晶粒团聚体，然后侧向生长横向铺展，形成纬线状晶粒团聚体，互相搭接构成了多孔网状沉积层结构。当沉积层数不断增加经线状晶粒团生长逐渐密化，形成的网状孔洞尺寸不断减小并最终闭合，沉积层表位微观结构会越来越致密。根据实践经验，当沉积到1200层时沉积层中的孔洞已被完全覆盖呈致密状。因此根据以上程序，调整数控程序在400-1200层之间，400层比较均匀，孔洞较大，具有一定的厚度。而随着层数增加孔洞的总面积逐渐减小。以上所述在实际工况中因加工环境等影响可能会有轻微变化，但基本演变规律保持不变。应根据实际需要选择层数，具体厚度见附图8中数据作为参考。

2）脉冲电流参数调整：占空比、脉冲电流频率、峰值电流密度

脉冲电流调整手段包括占空比、频率、峰值电流密度三个方面，应根据具体情况进行相应调试，以下为相关原则：

脉冲电流的占空比调试原则：占空比1:1-1:7范围内沉积层呈多孔结构。占空比直接影响了沉积扩散层内金属阳离子的浓度恢复，也影响了多孔微观组织结构。随着占空比的增大，逐渐由不均匀、粗大的多孔结构过渡到精细、均匀的微孔结构，见附图5所示。占空比1:7时的多孔结构要比占空比1:3更为致密、均匀。因此可按实际需要选择合适的占空比。

脉冲频率调试原则：脉冲频率不宜太高，过高频率会造成沉积层组织细化、孔洞减少、致密性提高。脉冲频率1250-2500Hz之间时，具有较为均匀的多孔结构分布。

峰值电流调试原则：峰值电流密度可在400-500A/dm²之间选择，其一般规律为：随着峰值电流密度的增大，沉积层孔洞数量增多、尺寸增大，见附图6所示。前述沉积层多孔结构随层厚变化规律可知，多孔结构会随层厚增加而闭合、致密。峰值电流密度高则沉积层次数减少，导致沉积层数未达到微孔闭合所需层数时，会在沉积层表面出现较多的微孔。同一厚度沉积层，峰值电流密度低则需要沉积层数多，在沉积达到要求厚度之前微孔已闭合，因此组织结构相对较为致密，多孔组织较难获得。

技术原理：

1．射流电沉积方法原理见附图1。该工艺与普通电沉积不同，电解液以射流态从阳极喷嘴喷出至阴极区，特点体现在：①大幅度提高极限电流密度，沉积速度快；②可获得不同微、纳组织结构和表面结构；③良好的定域性。喷嘴指向的工件表面才会发生沉积；④工艺参数简便、直接，如调整电流密度、扫描速度、流速都可改变沉积层的微观结构。

2．射流电沉积的特殊性满足了滑动摩擦副减摩性涂层的制备要求：

（1）速度快工艺简单。涂层的修复厚度可在微米到毫米尺度内精确调节，而调节手段为电流密度、流速等，简单直接易于操作，设备和修复成本较低，符合再制造工程高效、经济的要求。

（2）定域性满足定向修复。磨损表面多存在点蚀或划伤的失效情况，而射流电沉积的可变口径圆形、矩形喷嘴以及数控扫描方式则保证了相应损伤位置的准确修复。

（3）可产生符合摩擦副需要的多孔性减摩、强化层。射流电沉积层具有致密、多孔两种结构，通过控制工艺参数可使材料致密性发生变化，产生多孔结构涂层，并在此基础上可演变进化为更加合理的表面织构。这种多孔材料可吸附、存储一定的润滑剂。一旦对摩中产生磨粒和其他衍生物也可收纳同时将润滑剂赶出释放，在自润滑的同时把磨损风险降低，具有减摩效果。

（4）多孔性涂层的产成机理。电沉积过程中单位时间和面积内形核数量以及结晶生长特点决定了多孔结构的生成，按形成过程存在下列环节：

（a）成核过程。根据电沉积工艺特点，成核在一定外界能量下会在阴极表面特定能量状态的位置上产生。因所需能量较少，会优先发生在活性较高的某阴极点，而活性低较低的点所需能量较大则不足以成核。

（b）形核过程。当射流电沉积往复扫描速度慢时，电场作用充分，活性高点增多，形核数量也随之增加。扫描速度速度加快则电场作用减弱形核数量减少。

（c）晶核长大。晶核会不断按不同方向长大，当喷嘴往复逐层扫描时，前次扫描中已成核晶体表面或周围会产生新晶核并一起形成团聚体。当喷嘴再次扫过时，新晶核会在晶核团聚体表面及周围沿电场方向和垂直电场方向堆积生长。

（d）成多列山谷状并互相搭接构成多孔分布。射流电沉积特有的高电流密度使晶粒沿电场方向优先生长，导致晶核团堆积成多列山脊状或田垄状分布，之间形成山谷状间隙，如附图2所示。“脊顶”因边缘效应侧向生长并铺展，当邻列“山谷”间晶粒团侧向生长致互相搭接时，就形成了多孔网状的沉积层结构，如附图3所示。当继续沉积层数达到一定厚度时，这种侧向搭接生长加剧使孔洞尺寸不断减小，沉积层愈发致密，并最终闭合，形成较致密的沉积层。

因此如上所述，多孔结构形成关键是提供适当但并不充分的电场，这需要提供合适的电流参数（包括占空比、电流密度、电流频率），同时扫描速度宜快，层数不宜过多。如果按需求选择合适的参数，则多孔结构的尺寸和分布均可调节。

本发明特点在于以生成多孔性结构涂层作为减摩性材料为技术核心，通过多种手段影响多孔尺寸和分布：

(1) 通过射流电沉积本身具有定域性好和可产生特殊表面结构的特点，针对滑动摩擦副磨损现象在其表面进行修复增强思路，去解决工程中普遍存在的磨损损伤问题。

(2) 利用射流电沉积逐层扫描沉积中，晶粒团聚体先生成“山谷”间隙后横向搭接构成网状结构的过程特点，提出生成沉积层表面多孔结构涂层的技术原理。

(3) 根据技术原理给出了优化的工艺参数，提出沉积层数、电流配置等对多孔结构分布、尺寸的影响规律，给出了优化范围。

附图说明

图1是射流电沉积方法原理示意图。

图2是高电流密度使晶粒沿电场方向优先生长的晶核团分布示意图。

图3是逐层扫描后的多孔结构分布示意图。

图4 不同层数的射流沉积层表面多孔形貌。

图5 不同占空比沉积多孔形貌。

图6 峰值电流密度影响下的多孔形态。

图7是多孔状纳米晶铜表面形态。

图8电流密度为450A/dm²下的不同扫描层数涂层厚度（mm）。

具体实施方式

其操作步骤如下：

1.对工件表面处理，依次打磨、除油、钝化、水洗、干燥。

2.配置电解液。本实施方式中电解液的组成成分和和工艺参数分别为：

CuSO₄·5H₂O 250g/L，98%浓硫酸50g/L，电解液温度为25℃。电解液均用分析纯或化学纯试剂加蒸馏水配制而成。

3.将工件放置于沉积槽内，将喷嘴对准磨损相应位置。

4.工艺参数选择为矩形喷嘴口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm；

电解液流速300L/h，机床扫描速度1000mm/分；

脉冲电流，峰值密度450A/dm²，占空比为1：5，脉冲频率1250HZ；

扫描层数为600层；

启动数控程序，代码如下：

O0001 (主程序编号)

G54 G90 G00 X-50 Y80 Z10; （建立工件坐标系，快速定位到（-10,80,10）的位置）

G01 Z-100 F1000; （定位到（-50,80，-100），进给速度为1000mm/min）

M98 P2 L900; (调用子程序P2，执行300次，扫描600层)

M30 （程序结束）

子程序P2略。

5.实验结束。在数控加工程序结束后，Z轴会自动升起一定高度一般约5-10毫米，使喷嘴与工件脱离接触，关停机床。

6.取出工件清洗、擦拭。

图7即为在此工艺条件下制备的沉积层，可以看出涂层表面具有较为均匀分布的长条微孔结构，微孔尺寸大都在2×1微米左右。此种情况即为一种微孔结构尺寸与分布形态，如根据技术方案中提出的各项工艺参数，则尺寸、分布均有相应变化，可以按需求调试。