一种高硬高耐磨的自润滑涂层及其制备方法和应用

本发明涉及涂层制备的，具体涉及一种高硬高耐磨的自润滑涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在机械装备运行过程中，摩擦磨损是导致机械零件失效的主要形式之一，很多的失效零件与磨损直接相关。磨损不仅降低设备精度和效率，还会引发安全事故，增加维护成本。因此，提高机械零部件表面的摩擦磨损性能成为工程领域的重要课题。在零部件表面制备防护涂层是延长其服役寿命的有效途径，其中激光熔覆技术因具有能量密度高、基体热影响小、涂层与基体冶金结合好、涂层致密且硬度高等优点，被广泛用于制备耐磨涂层。

2、然而，传统的激光熔覆耐磨涂层（如镍基、钴基或铁基合金涂层）虽然硬度高、抗磨粒磨损能力强，但其摩擦系数通常较高，缺乏自润滑能力。在高载荷、高温或高速等工况下，高摩擦系数会导致严重的界面发热和粘着倾向，加剧对磨副的磨损，甚至引发咬合失效。由此可见，传统耐磨涂层存在“高硬度、高摩擦系数”的显著短板，难以同时兼顾优异的耐磨性与减磨性。因此，如何提升涂层的摩擦磨损性能，实现耐磨性与减磨性的协同优化，已成为涂层制备领域亟需解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高硬高耐磨的自润滑涂层及其制备方法和应用。本发明以硅烷包覆的氢氧化铝与高硬度金属粉末为原料进行电弧等离子喷涂。喷涂高温下，氢氧化铝分解为氧化铝和水蒸气，水蒸气逸出形成多孔结构；硅烷包覆层转化为二氧化硅，与氧化铝共同构成坚硬陶瓷骨架，与金属结合获得高硬度多孔涂层。该多孔骨架既赋予涂层抗磨损能力，又为后续渗入自润滑材料提供空间。通过硬质骨架承重、润滑剂减摩的协同作用，使涂层兼具优异的耐磨性与减磨性。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明的第一个方面是提供一种高硬高耐磨的自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）将氢氧化铝粉末分散在醇水溶剂中，超声处理后，得到氢氧化铝悬浮液；

5、（2）向含有硅烷类物质的醇溶液中滴加酸调节ph以进行催化水解，得到水解硅烷溶液；将水解硅烷溶液加入氢氧化铝悬浮液中反应，离心分离出固体，洗涤，真空干燥，得到硅烷包覆的氢氧化铝粉末；

6、（3）将高硬度金属粉末与硅烷包覆的氢氧化铝粉末混合均匀，得到涂层用复合粉末；

7、（4）将所述涂层用复合粉末通过电弧等离子喷涂至基材上，得到多孔结构的金属涂层；

8、（5）将含有自润滑二维材料的悬浮液喷涂在处于超声辅助处理状态下的所述多孔结构的金属涂层上，干燥，得到高硬高耐磨的自润滑涂层。

9、本发明中，通过硅烷包覆的氢氧化铝与高硬度金属粉末共同作为电弧等离子喷涂原料。在喷涂过程中，基材表面温度可达1600~2000℃，远高于氢氧化铝的分解温度（300℃~500℃）。因此，氢氧化铝粉末迅速分解为氧化铝（al2o3）和水蒸气。水蒸气在逸出过程中于涂层内部形成气孔，从而增加涂层的孔隙率；与此同时，分解生成的氧化铝具有较强的结构强度，能够强化气泡孔壁，防止气泡过快破裂，促进形成规则、稳定的宏观孔隙。此外，硅烷包覆层在高温下转化为二氧化硅（sio2），与氧化铝共同构建出坚硬的陶瓷骨架。该陶瓷骨架与高硬度金属相结合，形成具有多孔结构的金属涂层，赋予涂层优异的硬度和抗磨损能力。

10、上述多孔结构为后续渗入自润滑材料提供了空间。在步骤（5）中，利用超声波作用，将含有二维润滑材料的悬浮液渗透至涂层孔隙中。最终，通过硬质骨架承重、润滑剂减摩的协同作用，涂层同时获得了高耐磨性与良好的减磨性能。

11、作为一种优选的实施方式，

12、步骤（1），

13、氢氧化铝粉末的粒径为30~50μm；和/或，

14、氢氧化铝粉末与醇水溶剂的质量比为1:4.5~6；和/或，

15、醇水溶剂中醇与水的质量比为90:10~70:30；和/或，

16、超声处理的时间为5~30分钟；和/或，

17、超声处理的功率为150~250w。

18、作为一种优选的实施方式，

19、步骤（2），

20、所述硅烷类物质选自kh-550、甲基三甲氧基硅烷（mtms）中的至少一种；

21、氢氧化铝粉末与所述硅烷类物质的质量比为1: 0.1~0.5 ；和/或，

22、所述含有硅烷类物质的醇溶液浓度为1~3wt%；和/或，

23、所述含有硅烷类物质的醇溶液中的醇选自乙醇或异丙醇；和/或，

24、滴加醋酸调节ph至4~5；催化水解的时间为10~30分钟；和/或，

25、所述反应的温度为50~70℃；和/或，

26、所述反应的时间为1.5~3小时；和/或，

27、所述反应在搅拌下进行；和/或，

28、洗涤采用醇洗涤；和/或，

29、真空干燥的温度为70~90℃；和/或，

30、真空干燥的时间为0.5~2小时。

31、作为一种优选的实施方式，

32、步骤（3），

33、所述高硬度金属粉末选自碳化钨-钴合金例如wc-co（型号为yg8主要成分为92wt%wc-8wt%co）、碳化钛基合金tic-ni/mo（型号为tic-20ni-10mo主要成分为70wt%tic-20wt%ni-10wt%mo） 、钴基合金（如stellite系列）中的至少一种；和/或，

34、所述高硬度金属粉末的粒径为40~60μm；和/或，

35、硅烷包覆的氢氧化铝粉末的加入量为高硬度金属粉末与硅烷包覆的氢氧化铝粉末总体积的50%~80%；和/或，

36、所述混合均匀的温度为室温；和/或，

37、所述混合均匀的时间为550~700min；和/或，

38、所述混合均匀采用高速混粉机混合，所述高速混粉机的混合速度为350~500r/min。

39、作为一种优选的实施方式，

40、在基材表面制备了多孔结构高硬度金属涂层，为确保基材表面干净无杂质，在沉积之前，使用超声波清洗或其他清洁方法进行清洗。使用热风吹干样品表面使其彻底晾干。

41、作为一种优选的实施方式，

42、步骤（4），

43、所述电弧等离子喷涂的喷枪与基材水平面的夹角设置为70°~90°；和/或，

44、将复合粉末通过载粉气体输送到电弧等离子喷涂喷枪的粉末入口，其中，所述电弧等离子喷涂的电弧电流为70~80a，电弧电压为20~30v，载粉气体流量为20~25 l/min，送粉量为2~5 g/min，保护气体流量为30~50 l/min，喷涂的时间为10~30分钟；和/或，

45、所述基材为碳钢、304不锈钢、铁素体不锈钢、316不锈钢、45钢等（45钢的元素含量（wt%）：碳（c）0.42~0.50，硅（si）0.17~0.37，锰（mn）0.50~0.80，铁（fe）余量）或钛合金（如tc4）。

46、作为一种优选的实施方式，

47、步骤（5），

48、所述自润滑二维材料选自二硫化钼（mos2）、二硫化钨（ws2）、六方氮化硼（h-bn）或石墨烯中的至少一种；和/或，

49、所述含有自润滑二维材料的悬浮液中的溶剂为乙醇；和/或，

50、所述含有自润滑二维材料的悬浮液中，自润滑二维材料与溶剂的质量比为1：20~100；和/或，

51、高硬度金属粉末与所述自润滑二维材料中的自润滑二维材料的质量比为1：10~50。

52、作为一种优选的实施方式，

53、步骤（5），

54、喷涂时，设置喷枪与多孔结构的金属涂层的距离为5~20 mm，喷涂速度为3~5 mm/min；和/或，

55、超声辅助处理的频率为40~60 khz，超声辅助处理的功率为300~400 w，超声辅助处理的时间为50~70min；和/或，

56、干燥的温度为60~100℃，时间为1 h~2 h。

57、本发明的第二个方面是提供本发明的第一个方面所述的方法制备的高硬高耐磨的自润滑涂层。

58、作为一种优选的实施方式，

59、所述高硬高耐磨的自润滑涂层的磨损体积为0.005~0.02mm3；

60、所述高硬高耐磨的自润滑涂层的摩擦系数为0.4~0.55；

61、所述高硬高耐磨的自润滑涂层的硬度为500~800hv。

62、本发明的第三个方面是提供本发明的第一个方面所述的方法制备的高硬高耐磨的自润滑涂层在机械零件中的应用。

63、本发明通过在机械零件表面制备一层多孔结构的耐磨骨架材料，再通过超声沉积的方式，将具有自润滑性质的二维材料沉积到耐磨骨架当中，从而制备出兼具耐磨与自润滑优异性能的摩擦涂层材料。

64、有益效果：

65、本发明以硅烷包覆的氢氧化铝与高硬度金属粉末为原料进行电弧等离子喷涂。喷涂高温下，氢氧化铝分解为氧化铝和水蒸气，水蒸气逸出形成多孔结构；硅烷包覆层转化为二氧化硅，与氧化铝共同构成坚硬陶瓷骨架，与金属结合获得高硬度多孔涂层。该多孔骨架既赋予涂层抗磨损能力，又为后续渗入自润滑材料提供空间。通过硬质骨架承重、润滑剂减摩的协同作用，使涂层兼具优异的耐磨性与减磨性。