本發(fā)明屬于金屬表面強(qiáng)化涂層，具體涉及一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、液壓傳動由于功率密度高、極限功率大等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、航天航空等大型裝備。其中液壓馬達(dá)是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的重要執(zhí)行元件。內(nèi)曲線液壓馬達(dá)作為一種多作用低速大扭矩液壓馬達(dá)，其中旋轉(zhuǎn)的缸體和固定的配流盤形成配流副，是馬達(dá)三大關(guān)鍵摩擦副之一。配流盤和缸體間面接觸旋轉(zhuǎn)滑動運(yùn)動，配流副間隙油膜同時受到高壓油口、低壓油口以及缸體柱塞腔油口壓力邊界的控制，是連通內(nèi)曲線液壓馬達(dá)內(nèi)部流道與整個回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)液壓回路的橋梁。配流副在低速重載工況下，潤滑油膜難以建立，配流副處于混合潤滑狀態(tài)，配流盤材料為球墨鑄鐵，易出現(xiàn)磨粒磨損和疲勞磨損，顯著的累積磨損使得配流副界面密封和承載性能隨著服役時間持續(xù)非線性劣化，嚴(yán)重影響內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的服役壽命。

2、許多學(xué)者從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度對配流副耐磨性的提高效果有限且增加了加工的復(fù)雜性，未從根源上解決表面磨損問題。激光熔覆技術(shù)是利用高能激光束提供的能量對材料表面改性的一種新型方法，將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用在球墨鑄鐵配流盤的生產(chǎn)制造上，不僅解決了傳統(tǒng)表面強(qiáng)化處理手段的自動化程度低、強(qiáng)化性能不可控的問題，同時該技術(shù)可通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，準(zhǔn)確的控制熔覆層厚度。但在激光熔覆過程中，球墨鑄鐵中石墨的氧化會導(dǎo)致氣孔等缺陷，同時熔覆層與基材之間的熱膨脹系數(shù)差異可能引發(fā)開裂，從而影響熔覆層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層及其制備方法，獲得表面質(zhì)量和耐磨性兼得的配流副表面強(qiáng)化涂層。在保證涂層與基體、涂層間冶金結(jié)合良好的同時，耐磨性能同時提升。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層，所述梯度耐磨涂層包括：（1）打底層；（2）若干過渡層-nisi+不規(guī)則wc陶瓷顆粒復(fù)合涂層；（3）耐磨層-nisi+球形wc陶瓷顆粒復(fù)合涂層，在金屬基體表面制備該梯度涂層；根據(jù)不同的金屬基體采用相應(yīng)的打底層；若干過渡層以及耐磨層從下往上，nisi的含量依次減少，wc陶瓷顆粒含量依次增加；在nisi基體涂層內(nèi)添加不規(guī)則wc陶瓷顆粒作為過渡層來實(shí)現(xiàn)不同材料之間的順利過渡，減少界面應(yīng)力，在nisi基體涂層內(nèi)添加球形wc陶瓷顆粒作為耐磨層，梯度結(jié)構(gòu)涂層在能夠合理控制內(nèi)應(yīng)力的同時提升耐磨性。

3、進(jìn)一步地，所述金屬基體為鑄鐵，所述打底層為inconel?625涂層，來隔絕鑄鐵內(nèi)石墨相的擴(kuò)散，提高涂層和鑄鐵基體的結(jié)合力。

4、進(jìn)一步地，所述耐磨層中球形wc陶瓷顆粒含量不超過60wt%。

5、進(jìn)一步地，所述過渡層為一層，為60wt%nisi+40wt%不規(guī)則wc陶瓷顆粒復(fù)合涂層；所述耐磨層為40wt%nisi+60wt%球形wc陶瓷顆粒復(fù)合涂層。

6、另一方面，本發(fā)明還提供了一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層的制備方法，包括以下步驟：

7、s1：配制梯度耐磨涂層粉末，根據(jù)金屬基體選擇打底層，過渡層采用nisi合金粉末+不規(guī)則wc陶瓷顆粒，耐磨層采用nisi合金粉末+球形wc陶瓷顆粒，分別均勻混合過渡層和耐磨層使用的粉末并干燥；

8、s2：對金屬基體表面進(jìn)行預(yù)處理，去除氧化層并進(jìn)行清潔；

9、s3：啟動光纖激光器、六軸機(jī)械臂、同步送粉器與氬氣氣瓶；同軸送粉激光頭按照機(jī)械臂程序進(jìn)行運(yùn)動，氬氣氣瓶為同軸送粉激光頭和同步送粉器提供氣體，氬氣則為熔覆基體提供保護(hù)氣；

10、s4：往同步送粉器內(nèi)打底層粉末，對打底層進(jìn)行激光熔覆；

11、s5：將送粉器內(nèi)粉末更換為過渡層粉末，在打底層上激光熔覆過渡層；

12、s6：將送粉器內(nèi)粉末更換為耐磨層粉末，在過渡層上激光熔覆耐磨層；

13、s7：梯度耐磨涂層制備結(jié)束后，關(guān)閉光纖激光器、六軸機(jī)器人、關(guān)閉氬氣氣瓶及同步送粉器。

14、進(jìn)一步地，步驟s1中，?inconel?625合金粉末的粒徑為53~150μm，化學(xué)成分為：cr：21.67wt％，nb：3.37wt％，si：0.16wt％，fe：2.49wt％，c：0.01wt％，mo：8.75wt％，ti：0.01wt％，al：0.06?wt％，ni余量。

15、進(jìn)一步地，步驟s1中，nisi粉末合金粉末的粒徑為53~150μm，化學(xué)成分為：c：0.6～1.0wt％，b：1.75wt％，si：3.11wt％，fe：0.26wt％，cr：0.15wt％，ni余量。

16、進(jìn)一步地，步驟s1中，過渡層添加的不規(guī)則wc陶瓷顆粒的粒徑為53~150μm，化學(xué)成分為：?cr?≤?0.1wt％，ni：0.75wt％，fe：0.62wt％，c：3.9wt％，v＜0.1wt％，w余量；耐磨層添加的球形wc陶瓷顆粒的粒徑為53~150μm，化學(xué)成分為：cr?≤?0.1wt％，ni：0.48wt％，fe：0.35wt％，c：3.96wt％，o＜0.05wt％，w余量。

17、進(jìn)一步地，步驟s4中，激光熔覆參數(shù)為：激光功率2000w，掃描速度20?mm/s，送粉率1.2?r/min，光斑直徑4?mm，搭接率50％；步驟s5中，激光熔覆參數(shù)為：激光功率2400w，掃描速度16?mm/s，送粉率1.2?r/min，光斑直徑4mm，搭接率50％；步驟s6中，激光熔覆參數(shù)為：激光功率1700w～3100?w，掃描速度16?mm/s，送粉率1.3?r/min，光斑直徑4mm，搭接率50％。

18、進(jìn)一步地，步驟s3中，送粉氣和保護(hù)氣的流量分別為15?l/min和7.5?l/min。

19、本發(fā)明的有益結(jié)果是：

20、1、三層梯度結(jié)構(gòu)涂層的基礎(chǔ)相為γ-ni固溶體，主要成分包括wc相，其衍射峰顯著增強(qiáng)，表明wc的保留量更高。過渡層的存在有助于緩沖熱量變化，減少wc顆粒的熱分解，從而提高涂層的力學(xué)性能；

21、2、三層梯度結(jié)構(gòu)涂層的表面顯微硬度最高可達(dá)485?hv0.2；

22、3、三層梯度涂層耐磨性能良好，在測試載荷為50n，行程4mm，頻率2hz，時長40min的往復(fù)摩擦式磨損試驗(yàn)條件下，磨損體積最小，為1.72×10-3mm-3。

技術(shù)特征：

1.一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層，其特征在于，所述梯度耐磨涂層包括：（1）打底層；（2）若干過渡層-nisi+不規(guī)則wc陶瓷顆粒復(fù)合涂層；（3）耐磨層-nisi+球形wc陶瓷顆粒復(fù)合涂層，在金屬基體表面制備該梯度涂層；根據(jù)不同的金屬基體采用相應(yīng)的打底層；若干過渡層以及耐磨層從下往上，nisi的含量依次減少，wc陶瓷顆粒含量依次增加；在nisi基體涂層內(nèi)添加不規(guī)則wc陶瓷顆粒作為過渡層來實(shí)現(xiàn)不同材料之間的順利過渡，減少界面應(yīng)力，在nisi基體涂層內(nèi)添加球形wc陶瓷顆粒作為耐磨層，梯度結(jié)構(gòu)涂層在能夠合理控制內(nèi)應(yīng)力的同時提升耐磨性。

2.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層，其特征在于，所述金屬基體為鑄鐵，所述打底層為inconel?625涂層，來隔絕鑄鐵內(nèi)石墨相的擴(kuò)散，提高涂層和鑄鐵基體的結(jié)合力。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層，其特征在于，所述耐磨層中球形wc陶瓷顆粒含量不超過60wt%。

4.權(quán)利要求1所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層，其特征在于，所述過渡層為一層，為60wt%nisi+40wt%不規(guī)則wc陶瓷顆粒復(fù)合涂層；所述耐磨層為40wt%nisi+60wt%球形wc陶瓷顆粒復(fù)合涂層。

5.一種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.?根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層的制備方法，其特征在于，步驟s1中，inconel?625合金粉末的粒徑為53~150μm，化學(xué)成分為：cr：21.67wt％，nb：3.37wt％，si：0.16wt％，fe：2.49wt％，c：0.01wt％，mo：8.75wt％，ti：0.01wt％，al：0.06?wt％，ni余量。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層的制備方法，其特征在于，步驟s1中，nisi粉末合金粉末的粒徑為53~150μm，化學(xué)成分為：c：0.6～1.0wt％，b：1.75wt％，si：3.11wt％，fe：0.26wt％，cr：0.15wt％，ni余量。

8.?根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層的制備方法，其特征在于，步驟s1中，過渡層添加的不規(guī)則wc陶瓷顆粒的粒徑為53~150μm，化學(xué)成分為：?cr?≤?0.1wt％，ni：0.75wt％，fe：0.62wt％，c：3.9wt％，v＜0.1wt％，w余量；耐磨層添加的球形wc陶瓷顆粒的粒徑為53~150μm，化學(xué)成分為：cr?≤?0.1wt％，ni：0.48wt％，fe：0.35wt％，c：3.96wt％，o＜0.05wt％，w余量。

9.?根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層的制備方法，其特征在于，步驟s4中，激光熔覆參數(shù)為：激光功率2000w，掃描速度20?mm/s，送粉率1.2?r/min，光斑直徑4?mm，搭接率50％；步驟s5中，激光熔覆參數(shù)為：激光功率2400w，掃描速度16?mm/s，送粉率1.2?r/min，光斑直徑4mm，搭接率50％；步驟s6中，激光熔覆參數(shù)為：激光功率1700w～3100?w，掃描速度16?mm/s，送粉率1.3?r/min，光斑直徑4mm，搭接率50％。

10.?根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層的制備方法，其特征在于，步驟s3中，送粉氣和保護(hù)氣的流量分別為15?l/min和7.5?l/min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種梯度結(jié)構(gòu)耐磨涂層及其制備方法。梯度耐磨涂層包括：（1）打底層；（2）若干過渡層?NiSi+不規(guī)則WC陶瓷顆粒復(fù)合涂層；（3）耐磨層?NiSi+球形WC陶瓷顆粒復(fù)合涂層；在金屬基體表面制備該梯度涂層；在NiSi基體涂層內(nèi)添加不規(guī)則WC陶瓷顆粒作為過渡層來實(shí)現(xiàn)不同材料之間的順利過渡，減少界面應(yīng)力，在NiSi基體涂層內(nèi)添加球形WC陶瓷顆粒作為耐磨層，梯度結(jié)構(gòu)涂層在能夠合理控制內(nèi)應(yīng)力的同時提升耐磨性。本發(fā)明可以有效抵御磨損和其他機(jī)械損傷，從而延長零部件的使用壽命。三層梯度結(jié)構(gòu)涂層在合理控制內(nèi)應(yīng)力的同時還提升了耐磨性。

技術(shù)研發(fā)人員：張超,韓敏,張小龍,段怡曼,方禹,張軍輝,徐兵
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6