（机械电子工程专业论文）激光熔覆镍基自润滑涂层组织与性能研究.pdf

摘要 随着现代工业的发展，要求某些相对摩擦的零部件能长时间工作在高温、 高负荷、高真空、低温、强腐蚀及强辐射等特殊情况下，常规润滑油和润滑脂 不能满足要求，而固体润滑材料能适应这些复杂的工作环境。本文以n i c r b s i 合金为基体材料，h b n 和n i 包m o s 2 为固体自润滑相，采用激光熔覆技术制备 出n i 基自润滑复合涂层。利用s e m 、x r d 等手段对熔覆层的微观组织进行了 分析；利用h x d 1 0 0 0 型显微硬度计测试了激光熔覆试样的硬度；利用m 一2 0 0 型摩擦磨损试验机测试了熔覆层的摩擦磨损性能。 试验结果表明，激光熔覆层的宏观、微观质量与激光熔覆工艺参数密切相 关。在优化工艺参数下，获得的激光熔覆层表面均匀连续、内部无气孔和裂纹， 且与基底呈良好的冶金结合。 微观组织分析表明，激光熔覆试样沿层深方向存在三个不同的组织区域， 由表及里依次为：熔覆层、熔覆层与基底的结合区和基底热影响区。n i c r b s i 熔覆层主要由y n i 、n i 3 b 、c r b 和c r 2 3 c 6 等物相组成；n i c r b s i ：h b n = 1 8 ：i ( w t ) 熔覆层主要由丫n i 、h b n 、c r b 、c r 2 n 和n i 2 b 等物相组成；n i c r b s i ：h b n = 6 ：1 ( 讯) 熔覆层主要由y n i 、h b n 、c r b 和c r e n 等物相组成；n i c r b s i + n i 包 m o s 2 熔覆层主要由丫一n i 、m o c 、f e l x s x 和c r l x s x 等物相组成。 n i c r b s i ：h b n = 6 ：1 ( 叭) 熔覆层的硬度( 1 0 0 0 - - , 1 1 0 0 h v o 2 ) 大约是n i c r b s i 熔覆层硬度的1 5 2 倍和基底硬度的3 - 4 倍。n i c r b s i + n i 包m o s 2 熔覆层的 硬度( 3 5 0 4 0 0 h v 0 2 ) 低于n i c r b s i 熔覆层的硬度，略高于基底的硬度。 摩擦磨损试验结果表明，两种n i c r b s i + h b n 自润滑涂层在相同磨损条件 下，摩擦系数都在0 2 3 - - 一0 3 7 之间；n i c r b s i + n i 包m o s 2 自润滑涂层、n i c r b s i 涂层和h 1 3 钢基底在相同磨损条件下，n i c r b s i + n i 包m o s 2 自润滑涂层的摩擦 系数大约在0 1 4 - - 0 2 2 之问，远远小于n i c r b s i 熔覆层和h 1 3 钢基底的摩擦系 数。n i c r b s i 熔覆层磨损为氧化磨损和磨粒磨损；n i c r b s i + h b n 自润滑涂层磨 损为磨粒磨损和粘着磨损，在磨损过程中，h b n 形成了一层稳定的润滑膜，从 而减少了涂层的摩擦系数：n i c r b s i + n i 包m o s 2 自润滑涂层磨损为磨粒磨损和 粘着磨损，涂层中的硫化物在磨损中起到了良好的润滑性能。 关键词：激光熔覆；自润滑复合涂层；微观组织；显微硬度；耐磨性能 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y , s o m eo ft h er e l a t i v e l yf r i c t i o np a r t s r e q u i r et ow o r kl o n gh o u r si nh i 曲t e m p e r a t u r e ，h i 【g hc a p a c i t y , h i 曲v a c u u m ，l o w t e m p e r a t u r e ，s t r o n gc o r r o s i o na n ds t r o n gr a d i a t i o na n do t h e rs p e c i a lc i r c u m s t a n c e s t h el u b r i c a t i n go i la n dg r e a s ec a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，w h e r e a st h es o l i d l u b r i c a t i n gm a t e r i a li sa d a p t e dt ot h e s ec o m p l e xw o r ke n v i r o n m e n t s t h ee x p e r i m e n t c h o o s en i c r b s ia sm a t r i xm a t e r i a l ，h b na n dn iw r a p p e dm o s 2a ss o l i dl u b r i c a t i n g m a t e r i a l ，s e l f - l u b r i c a t i n gc o a t i n g s ( n i c r b s i + h b na n dn i c r b s i + n iw r a p p e dm o s 2 ) a r ep r e p a r e db yl a s e r c l a d d i n g m i c r o s t r u c t u r e s o ft h ec l a d c o a t i n g s w e r e c h a r a c t e r i z e du s i n gs e m ，x r d t h em i c r o h a r d n e s so ft h el a s e rc l a d d i n gc o a t i n g s w a sm e a s u r e du s i n gh x d - - 1 0 0 0t y p em i c r o - s c l e r o m e t e r t h ew e a rp r o p e r t i e so ft h e c l a dc o a t i n g sw e r ee x a m i n e du s i n ga nm 2 0 0t y p ef r i c t i o nw e a rt e s t e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cq u a l i t yi s r e l a t e dt op a r a m e t e r so fl a s e rc l a d d i n g u n d e rt h eo p t i m i z e dl a s e rp r o c e s sp a r a m e t e r s ， t h el a s e rc l a d d i n gl a y e r s ，i nw h i c hn op o r e sa n dc r a c k sa p p e a ra n ds u r f a c ei s d i s t r i b u t e du n i f o r m l ya r eo b t a i n e d ，a n dt h el a s e rc l a d d i n gl a y e r sa r em e t a l l u r g i c a l l y b o n d e dw i t ht h es u b s t r a t e t h em i s c r o s t r u c t u r e a n a l y s e s s h o wt h a tt h r e e r e g i o n s w i t hd i f f e r e n t m i c r o s t r u c t u r ee x i s t e di nt h es u r f a c eo fl a y e ro fl a s e rc l a d d i n gs a m p l e s ：t h ec l a d l a y e r , t h eb i n d i n gz o n eo ft h ec l a dl a y e rw i t ht h es u b s t r a t e ，a n dt h eh e a t - a f f e c t e d z o n ei nt h e s u b s t a t e t h en i c r b s ic l a dl a y e ri sc o m p o s e do fy - n i 、n i 3 b 、c r ba n d c r 2 3 c 6p h a s e s n en i c r b s i ：h b n = 1 8 ：l ( w t ) c l a dl a y e ri sc o m p o s e do f ? - n i 、h b n 、 c r b 、c r 2 na n dn i 2 bp h a s e s t h en i c r b s i ：h b n = 6 ：l ( w t ) c l a dl a y e ri sc o m p o s e do f y n i 、h b n 、c r ba n dc r 2 np h a s e s t h en i c r b s i + n iw r a p p e dm o s 2 c l a dl a y e ri s c o m p o s e do fy n i 、m o c 、f e l x s xa n dc r l x s xp h a s e s t h em i c r o h a r d n e s si s1 0 0 0 l1 0 0 h v o 2i nt h ec l a d l a y e r o ft h e n i c r b s i ：h b n = 6 ：i ( w t ) c l a dl a y e lw h i c hi s1 5 2t i m e st h a to ft h en i c r b s il a s e r c l a dl a y e ra n d3 - - 4t i m e st h a to ft h es u b s t r a t e t h em i c r o h a r d n e s si s3 5 0 - - 4 0 0 h v 0 2 i nt h ec l a dl a y e ro ft h en i c r b s i + n iw r a p p e dm o s 2c l a dl a y e r , w h i c hi sl o w e rt h a n t h a to ft h en i c r b s ic l a dl a y e ra n ds l i g h t i yh i g h e rt h a nt h a nt h a to ft h es u b s t r a t e t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so nm - 2 0 0w e a rt e s tm a c h i n es h o wt h a tt h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n to ft w oo ft h en i c r b s i + h b ns e l f - l u b r i c a t i n gc o a t i n g si si nr a n g eo f 0 2 3 o 3 7 w h i c ha r ei nt h es a m ew e a rc o n d i t i o n s t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h e n i c r b s i + n iw r a p p e dm o s 2s e l f - l u b r i c a t i n gc o a t i n gi si nr a n g eo f0 1 4 0 2 2 ，w h i c h i sf a rl e s st h a nt h a to ft h en i c r b s il a s e rc l a dl a y e ra n dh 1 3s t e e ls u b s t r a t e t h ew e a r m e c h a n i s mo fn i c r b s il a s e rc l a dl a y e ri sam i x t u r eo fo x i d a t i o nw e a ra n da b r a s i o n t h ew e a rm e c h a n i s mo fn i c r b s i + h b ns e l f - l u b r i c a t i n gc o a t i n g si sam i x t u r eo f a b r a s i o na n da d h e s i o n i nt h ep r o c e s so fw e a r , i tw a sf o u n dt h a tt h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tw a sr e d u c e d b e c a u s eo ft h es o l i dl u b r i c a n tf i l mt h a tw a sf o r m e db yh b n t h ew e a rm e c h a n i s mo fn i c r b s i + n iw r a p p e dm o s 2s e l f - l u b r i c a t i n gc o a t i n gi sa l s o am i x t u r eo fa b r a s i o na n da d h e s i o n t h es u l f i d eo ft h ec o a t i n gp l a y e dag o o d lu b r i c a t i o np e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；s e l f - l u b r i c a t i n gc o m p o s i t ec o a t i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ； m i c r o h a r d n e s s ；w e a l r e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蔫闼激 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云叠王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权云注王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：智永獗 导师签名： 签字同期： 如萨z 月巧r 孝融 签字帆1 年2 ，月乡日 学位论文的主要创新点 一、通过涂层材料体系设计和激光熔覆工艺优化在h 1 3 钢表面 制备出表面质量良好且与基底冶金结合的n i 基自润滑复合涂层，提 高了涂层的耐磨性能和减摩性能。 二、利用s e m 、x r d 等现代分析测试手段对激光熔覆层的微观 组织结构进行了系统分析，揭示了在激光快速凝固条件下，n i 基白 润滑复合涂层的微观组织特征和界面结合机理。 三、测试了激光熔覆自润滑复合涂层的显微硬度及摩擦磨损性 能，并进行了对比分析，揭示了激光熔覆自润滑复合涂层的磨损机 制和自润滑机理。 第一章绪论 1 1 激光熔覆技术 第一章绪论 激光熔覆是一种新的表面改性技术。它通过在基底表面添加熔覆材料，并 利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成 与其冶金结合的添料熔覆层，从而显著改善基底材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电气特性等的工艺方法。激光熔覆的实验研究可以追溯到2 0 世纪7 0 年代中期。到8 0 年代初，激光熔覆己经发展成为材料表面工程领域的前沿课题。 激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料的成分亦不受通 常的冶金热力学条件的限制，因此所采用的熔履材料的范围是相当广泛的，包 括镍基、钴基和铁基合金、碳化物复合冶金材料以及陶瓷材料等，其中合金材 料和碳化物的复合材料己获得某些实际应用n 1 。 1 1 1 激光熔覆技术的特点 与热喷涂、等离子喷涂、气相沉积、电镀、化学镀、堆焊等传统的涂层技 术相比，激光熔覆技术具有下列优点： ( 1 ) 激光属于高能流热源，加热速度快， 实现自动化。 ( 2 ) 热影响区小，高温区集中于熔覆层， 工件的变形或者基材性能的削弱。 加热温度高，生产效率高，易于 而对基底的影响较小，不易造成 ( 3 ) 激光熔覆层与基底之间可以达到冶金结合 ( 4 ) 涂层的稀释度低，一般小于5 ，这样涂层成分易于控制和设计。 ( 5 ) 冷却速度快( 高达1 0 6 s ) ，发生非平衡凝固，组织细小，固溶度大， 甚至产生亚稳相超硬相或者非晶等。 激光熔覆可在普通会属材料表面获得稀释度低、与基底冶金结合而性能极 为优异的强化层，这项新技术，成为国内外材料表面强化领域关注和研究的热 点之一2 1 。 1 1 2 激光熔覆材料 目前激光熔覆材料主要有镍基合金、铁基合金、钴基合会和金属陶瓷等， 天津i ：业人学硕十学位论文 其性能取决于涂层的组织和相组成，而其化学成分和加工工艺又决定了涂层的 组织结构。涂覆镍基合金，适用于要求耐腐蚀局部磨损的构件；涂覆铁基合会， 主要用于要求局部耐磨且易变形的零件；涂覆钴基合金，常用于要求抗疲劳、 耐蚀、耐磨的精密零部件。在这些合金中加入各种高熔点碳化物、硼化物、硫 化物、氟化物、陶瓷颗粒等，能形成各种特殊性能的复合涂层睁m 1 。 1 1 - 3 激光熔覆材料的添加方式 熔覆材料的状态有粉末、线状和板状等，根据激光熔覆材料的供应方式不 同，分为两种n ，即同步法和预制法。 预制法是将熔覆材料以某种方法预先置于基底材料表面，然后采用激光束 在合金预覆层表面扫描，预覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化，同时通 过热传导将表面热量向内部传递，使整个预覆层及一部分基材熔化，激光束离 开后，熔化的金属快速凝固而在基材表面形成冶金结合的合金涂层。 预制法有粘结和喷涂两种方式。粘结法是将粉末与粘结剂调和成膏状，涂 在基底材料表面。常用的粘结剂有：清漆、硅酸盐胶、水玻璃及浆糊等。粘结 方法简单，灵活，不需要任何设备；喷涂法是将涂层材料( 粉末、丝材或棒材) 加热到熔化或半熔化状态，并在雾化气体下加速并获得一定的动能，喷涂到零 件的表面。 同步法则是在采用专门的送料系统在激光熔覆过程中将合金材料直接送入 激光作用区，在激光的作用下合金材料和基材同时熔化，然后冷却结晶形成合 金熔覆层，这种方法的优点是工艺过程简单，合金材料利用率高，可控性好， 甚至可以直接成形复杂三维形状的部件，容易实现自动化。同步送粉法包括重 力送粉法、气态动态送粉法、送膏法和送线法等。 1 1 4 激光熔覆工艺 激光熔覆涂层的质量和性能除与涂层材料的原始成分，基材的成分和性能 密切相关外，很大程度上取决于激光熔覆工艺参数。激光熔覆工艺参数主要包 括激光功率p 、光斑尺寸( 直径d 或面积s ) 、激光扫描速度玖多道搭接系数、 熔覆材料的添加方式及供给量和保护方式等。 尽管影响激光熔覆涂层质量的因素很多，但实际上可调节的参数并不多。 这是因为激光器一旦选定，激光系统特性也就确定了。因此，激光熔覆时主要 是通过选择熔覆材料的供给方式和调节熔覆材料的供给量( 送粉量或预制涂层 厚度) 、激光输出功率、光斑尺寸、扫描速度和搭接率等达到控制熔覆层质量的 目的刊。 第一章绪论 1 1 5 激光熔覆层的质量控制 ( 1 ) 裂纹产生及其防止 激光熔覆层中裂纹的产生原因主要是由于熔覆材料与基底材料在物理性能 方面存在差异，加之高能密度激光束的快速加热和基底的激冷作用，使熔覆层 中产生了极大的热应力。当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时，就会产生 裂纹。由于熔覆层的枝晶界、气孔、夹杂处强度较低且易于产生应力集中，因 此，裂纹往往在这些部位产生，激光熔覆层的残余拉应力是一个三维应立场， 其中沿激光扫描反方向的残余拉应力最大，故单道激光熔覆层的裂纹多垂直于 激光扫描方向，并且裂纹大致平行分布。多道搭接激光熔覆时，由于残余应力 的相互叠加，熔覆层开裂的倾向更大，裂纹多呈网状分布。激光熔覆层中的宏 观裂纹通常穿透整个熔覆层，终止于热影响区。 目前，对低能密度、大光斑的研究发现，大光斑配以慢速扫描，可以形成 无裂纹的熔覆层。由于影响因素很复杂，在实际选取工艺参数时，根据熔覆层 的几何尺寸和使用性能的要求，通过调整激光功率、光斑的形状和尺寸、送粉 速率和扫描速度来控制激光能量密度和作用时间；以达到最佳的熔覆层质量， 通过对基材预热和熔覆后的保温，也可以降低裂纹形成的倾向。 ( 2 ) 气孔及其防止 气孔也是激光熔覆层中经常出现的缺陷。激光熔覆层中的气孔是由于在激 光快速熔凝的条件下，熔池中的气体来不及逸出而形成的。对自熔性合金，由 于合金中含有的大量脱氧剂硼和硅，将优先同金属表面氧化物进行脱氧反应， 形成可上浮的硼硅酸盐，并起到隔绝空气的作用。因此，只要脱氧造渣的时间 足够长，金属表面的氧化物膜就会完全被脱掉，从而防止了不溶于液态合金的 c o 和c 0 2 的形成。但是，激光熔覆时，由于激光熔池存在的时间极短，脱氧 造渣过程进行的不充分，使得熔体有氧或氧化物残留，导致高温下碳与氧发生 反应，生成c o 或c 0 2 气体。对于非自熔性合金，由于没有硼、硅元素的脱氧 造渣作用，熔覆层中更易形成气孔。 一般来说，激光熔覆层中的气孔是难以完全避免的，但可以采用一些措施 加以控制。常用的方法有：严格防止合金粉术储运中的氧化，在使用自订要烘干 去湿以及激光熔覆时要采取放氧化的措施等。 1 2 金属基固体自润滑复合材料概述 固体润滑是用固体微粉、薄膜或负荷材料代替润滑油脂，隔离相对运动的 摩擦面以达到减摩和耐磨的目的。固体润滑材料应该具有：较小的摩擦因数和 天津i ：业人学硕十学位论文 较好的耐磨性能；与负荷相适应的承载能力；高温下的抗氧化稳定性；相当高 的导热性和最佳的热膨胀系数；在真空和各种特殊坏境气氛中工作的适应能力， 特别是抗咬合能力和抗疲劳破坏的能力等。轴承保持架、衬套、滑动轴承、齿 轮组合件、止推挚圈及密封环等就足较为典型的产品。 随着高科技的发展，航空、航天、机械、电子和能源等工业部门对材料的 耐磨性、耐蚀性和高温性能等提出了越来越高的要求，在高温( t 4 0 0 ) 、高 真空( 1 0 击帕) 、高转速、重载荷条件下工作的零部件一般不能采用润滑油和润 滑脂，而必须采用新型的固体润滑材料以防止部件的磨损与系统的污染。这类 复合材料除了具有一般固体润滑材料的特征，如使用温度范围宽、耐腐蚀、抗 污染以及能在极压、辐射和真空等条件下工作等之外，还有较长的寿命，并能 直接加工成零部件，如空间机械中使用的红外线照相机自润滑滚动轴承、液氧 输送泵滑动轴承和液氢中工作的齿轮等。这些零部件工作时，一般不需要添加 润滑油脂，就有良好的润滑和抗磨效果。 根据组成不同，固体自润滑复合材料大致可分为金属基，石墨基和高聚物 基三类。高聚物基和石墨基固体自润滑复合材料，由于摩擦因数低、耐化学腐 蚀性能好、重量轻等优点，工业上己广泛应用。金属基固体自润滑复合材料不 仅用于航空、航天、电子、军工等尖端技术，而且在农业和其它工业如冶金、 机械、交通运输各种科学领域也同样重要。 金属基固体自润滑复合材料是固体润滑剂作为组元加入到金属基体中形成 的复合材料，它具有如下特点：熔点高，机械强度高，有较好的韧性和延展性； 热传导性和导电性好；尺寸稳定，耐潮湿，摩擦因数小，耐磨寿命长等优良的 摩擦学特性，而且容易加工，适用于高负荷、高温、高真空等特殊工况下工作。 这类材料的特性取决于摩擦过程中其所含固体润滑剂的析出和弥散分布，固体 润滑剂可以在对磨表面发生转移形成润滑膜，使材料的摩擦学性能得到明显改 善。从使用工况不同，该类复合材料可以分为在无流体润滑条件下、在润滑和 活性介质条件下、在真空和各种气体介质下、在某些其它特殊工况条件下等； 从金属基材的种类不同，可以分为难熔金属及其合金基( w 、m o 等) 、高温金 属及其合金基( n i 、c r 、c o 等) 、常温金属及其合金基( c u 、a i 、f e 等) 1 4 - 1 7 。 1 3 固体润滑剂及固体润滑材料的设计 1 3 1 固体润滑剂的种类 固体润滑剂通常定义为能减少相对运动的接触表面的摩擦或磨损的固体材 料。它可以分为层状固体润滑剂、金属氟化物、金属氧化物和软金属等舯圳。 4 第一章绪论 ( 1 ) 层状固体润滑剂 层状固体润滑剂具有极易滑动的解理面，并因此产生极小的摩擦因数，这 一类化合物通常有石墨、m o s 2 和六方b n 。 a 石墨：石墨晶体结构中碳原子在一个平面上形成六边形结构，层与层间 以大j 键结合，因此在石墨各层间的结合强度较小，具有较小的剪切强度，摩 擦因数也较低，具有良好的润滑作用。 b 二硫化钼( m o s 2 ) ：二硫化钼是一种具有各相异性的六方晶体结构的层 状物质。在晶体的每一层里，每个钼原子被六个硫原子包围。二硫化钼晶体结 构里有近4 万多个滑移面，这些滑移面使得原来相互运动的金属表面的直接摩 擦转化为二硫化钼层之间的相对位移，从而降低摩擦因数，减小磨损。这就是 二硫化钼具有良好润滑性的基本原因。 c 六方氮化硼( h b n ) ：六方氮化硼是一种陶瓷减摩材料，与石墨类似也是 层片状晶体结构，其中b n 键为共价键，因此熔点很高。实验证明，当温度 高于5 0 0 时，h b n 摩擦因数开始降低，温度升高到9 0 0 以上后，由于形成 b 2 0 3 玻璃，并开始软化，摩擦因数又开始升高，所以其适宜温度为6 0 0 c 8 0 0 。 ( 2 ) 金属氟化物固体润滑剂 一般情况下，由于氟与金属以离子键结合形成氟化物，其熔点大多数高于 1 0 0 0 。c 。而且很多氟化物在高温下有很好的化学稳定性，所以这些氟化物适宜 作高温润滑剂，如l i f 、c a f 2 、b a f 2 、n a f 等在5 0 0 c - - - , 1 0 0 0 。c 下都有良好的润 滑性能。 ( 3 ) 金属氧化物固体润滑剂 摩擦表面氧化物的形成，可以防止咬合过程的发展。例如n i o 的出现，能 降低摩擦对偶件的磨损。常用金属氧化物固体润滑剂有p b o 、b 2 0 3 、m 0 0 3 等。 ( 4 ) 其他固体润滑剂 软金属：金、银等，以及含氧酸盐类化合物，如钼酸盐、硅酸盐和钨酸盐 等，都可以作为固体润滑剂使用。 1 3 2 固体润滑材料的设计 固体润滑材料的设计主要借助于已有的数据和经验等进行合理的选配，并 通过实验来逐步完善和成熟。影响固体润滑材料设计的因素很多，通常要考虑 以下几种情况。 ( 1 ) 摩擦副的组成和运动形式 摩擦副的运动形式有相互之间的滑动、滚动、滑滚、旋转、往复运动和摆 天津i ：业人学硕十学位论文 动、冲击以及连续运动或问隙运动等多种形式。不同对偶材料所组成的摩擦副 在同一工况条件下进行摩擦，其摩擦因数和磨损量是不同的。 ( 2 ) 材料的物理机械性能和化学性能 材料的物理机械性能直接影响材料的承载能力、摩擦因数的大小和耐磨寿 命等；材料的化学稳定性将影响材料的贮存性能和使用寿命。 ( 3 ) 工况条件 工况条件主要指负荷、速度和温度等人为控制的因素。作用于摩擦副的负 荷大小是影响摩擦学性能的主要因素。通常摩擦因数随着负荷的增加而减小， 耐磨寿命随着负荷的增加而减小。 ( 4 ) 润滑和环境气氛条件 润滑条件是影响材料摩擦因数和磨损量的重要因素之一，通常在液体润滑 条件下的摩擦因数小，耐磨寿命长。环境条件是指摩擦副所处的介质条件( 含 真空情况) 、高低温条件和辐射条件等。 设计固体润滑材料的主要内容是根据使用目标，按照固体润滑材料的组成 原则，选择基材组元、润滑组元以及其它起附加作用的辅助组元，并确定各组 分间的合理配比。通常，金属基材的使用温度范围较宽广，从低温到高温都可 选到合适的基材。选择固体润滑剂应注意与基材的合理匹配，以提高化学亲和 力作用，增加粘着力。为了提高润滑效果和减少磨损，可以按照“协同效应”选 用由多种润滑剂组成的多元润滑相乜制。 1 4 镍基自润滑材料体系 1 4 1 基体材料研究 镍基合金具有优异的高温机械性能、抗氧化性能和抗腐蚀性能等优点，且 在5 0 0 以上仍具有优良的机械性能，镍表面容易被氧化形成具有较好可塑性 的n i o 层，这有益于降低材料的磨损，且n i o 本身还是一种高温固体润滑剂瞳研。 在摩擦过程中，基体材料主要有承担载荷和抵抗磨损的作用。铬、钨、钼、 碳、硼等是镍基合金中常用的合金元素，这些元素溶解在镍中可以起到固溶强 化、第二相强化、晶界强化等作用啪1 。在室温中，铬在镍中的溶解度约为2 0 ， 在7 0 0 时上升到3 5 ，当铬量达到一定临界值时，会在表面生成一层连续致 密和附着性良好的氧化铬膜。镍铬合会具有很好的抗热蚀性，适用于腐蚀工况。 将钼、钨加入镍基体后，通过固溶强化作用可提高合金的热强性。当基体材料 中有碳存在时，它们可以生成极为耐磨的碳化物相。碳硼元素的加入可以产生 固溶强化或第二相强化、品界强化等作用，提高材料的耐磨性。 第一章绪论 1 4 2 含硫镍基自润滑材料 随着科学技术的发展，人们对于润滑技术的要求越来越高，希望能够在各 种特殊工况下实现有效的润滑。大功率发动机上使用的各类滑动部件的高温润 滑己经引起了人们的广泛关注。例如，气体发动机的密封部件、高温滑动轴承、 发动机的活塞环和气缸壁的润滑，以及战略武器的定向装置等，都需要使用具 有良好自润滑特性的材料凹侧。含硫镍基高温合金从室温到6 0 0 c 范围中有较好 的摩擦磨损及物理力学性能，是有可能成为制造先进内燃机引擎的减摩部件选 材。 镍基高温合金具有工作温度高( 1 0 4 k s 以) 大约仅需要1 0 3 1 0 - 2 s 就可将界面处熔体冷至 液相线温度之下，使界面前沿的局部熔体实际上处于过冷状态。因此，在结晶 过程中产生成分过冷。过冷度的产生，使得平界面失稳。在熔池底部，过冷度 小，熔体凝固为胞状晶或枝状晶；熔池中部和顶部，熔质丰富，过冷度大，熔 体凝固为树枝晶。 大量的试验结果表明，在高能束作用下的合金熔池的中央区域内，在同一 微观区域，其结晶过程并不完全都在同一时间内同时完成的。这意味着熔池中 粉末的凝固过程及其凝固行为较为复杂。 5 7 激光熔覆n i c r b s i + n i 包m o s 2 自润滑涂层中m o s z 相的行为 激光熔覆过程中，n i c r b s i 首先溶解，随后m o s 2 不断向液相n i c r b s i 中溶 解。在熔池冷却过程中，随着温度的降低，在m o s 2 溶解处的富s 区域，从基 材中稀释进入熔覆层的c r 原子和f e 原子先后与s 原子结合形成c r l x s x 和 f e l x s x 析出。即在激光辐照过程中，m o s 2 与c r 、f e 元素之间发生化学反应： x m o s 2 + 2 ( 1 一x ) c r - - - 2 c r l x + x m o x m o s 2 + 2 ( 1 x ) f e - - - 2 f e l s x + x m o ( 5 2 ) ( 5 3 ) 虽然m o s 2 的分解降低了其固体润滑剂的作用，但生成的c r l x s x 和f e l 喂s x 等都 是较好的固体润滑剂，同时m o s 2 分解出来的活性元素m o ，一方面固溶在镍基 合金基体中起固溶强化作用，另一方面会与h 1 3 钢基底中的c 元素反应生成 m o c 等碳化物。 5 8 本章小结 ( 1 ) 在p = i 8 k w ，d = 3 0 m m ，v = 2 m m s 条件下，激光熔覆n i c r b s i + n i 包m o s 2 可以获得表面连续均匀、内部无气孔和裂纹的自润滑涂层。 ( 2 ) 激光熔覆n i c r b s i + n i 包m o s 2 熔覆层主要由丫一n i 、m o c 、f e l - x s 。和c r l x s x 等物相组成，熔覆层存在树枝晶相、球状颗粒相和白亮不舰则颗粒相。 ( 3 ) 熔覆层与基底之间形成良好的冶金结合，并且结合区中无气孔和裂纹等缺 陷。结合区与基底交界处为明显的平面晶带，宽度在5 m 左右，其与熔覆层有 明显的过渡。 第六章激光熔覆层的性能 第六章激光熔覆层的性能 前几章通过对不同的自润滑材料和常规材料激光熔覆层表面形貌、内部缺 陷及微观组织进行了分析。本章将利用h x d 1 0 0 0 t 数字式显微硬度计和m 一2 0 0 型摩擦磨损试验机分别测试激光熔覆层的显微硬度和摩擦磨损性能。通过对磨 损表面形貌的分析，揭示激光熔覆层的磨损机制和固体自润滑机理，为研究和 开发镍基自润滑涂层提供理论基础。 6 1 激光熔覆层的显微硬度 6 1 1n i c r b s i 涂层的显微硬度 图6 - 1 示出n i c r b s i 熔覆层的显微硬度分布曲线。可见，激光熔覆试样沿 层深方向的硬度呈现三个区域，分别对应熔覆层( c l ) 、基底热影响区( h a z ) 和基底( s u b s t r a t e ) 。熔覆层的硬度在5 0 0 , - 一6 5 0 h v o 2 之间，热影响区的硬度在 3 5 0 - - 一4 5 0 h v o 2 之间，而基底的硬度最低，只有2 5 0 h v o 2 左右。 图6 1n i c r b s i 激光熔覆层显微硬度沿层深方向分布曲线 6 1 2n i c r b s i + h b n 自润滑涂层的显微硬度 图6 2 示出n i c r b s i ：h b n = 1 8 ：1 自润滑涂层的显微硬度分布曲线。可见， n i c r b s j ：h b n = 1 8 ：1 激光熔覆试样沿层深方向的硬度分布与n i c r b s i 熔覆层的显 微硬度分柿规律基本相同。其硬度分布呈现四个区域，分别对应熔覆层( c l ) 、 冒ol百器量q(等u窆 天津l ：业人学硕十学位论文 结合区( b z ) 、基底热影响区( h a z ) 和基底( s u b s t r a t c ) 。硬度由熔覆层到基 底呈阶梯状降低。熔覆层硬度在6 5 0 8 0 0 h v o 2 之间，结合区的硬度在5 5 0 6 0 0 h v o 2 之间，热影响区的硬度降至4 5 0 5 0 0 h v o 2 之间。 图6 3 示出n i c r b s i ：h b n = 6 ：1 自润滑涂层的显微硬度分布曲线。可见，硬 度由熔覆层到基底呈阶梯状降低。熔覆层的硬度在1 0 0 0 一1 1 0 0 h v o 2 之间，热 影响区的硬度在4 0 0 一- - 8 0 0 h v o 2 之间。n j c f b s i ：h b n = 6 ：1 熔覆层的显微硬度明显 高于n i c r b s i 熔覆层和基底，大约n i c r b s i 熔覆层硬度的1 5 2 倍和基底硬度 的3 4 倍左右。 d i s t a n c ef r o m $ 1 1 r f a c e m m 图铊n i c r b s i ：h b n = 1 8 ：l 激光熔覆层显微硬度沿层深方向分布曲线 di s t a n e ef r o ms i l lr f a c e mi i l 图6 3n i c r b s i ：h b n = 6 ：i 激光熔覆层显微硬度沿层深方向分布曲线 6 1 3n i c r b s i + n i 包m o s 2 自润滑涂层的显微硬度 图6 - 4 示出了不同激光熔覆工艺参数下n i c r b s i + n i 包m o s 2 自润滑涂层的 丝微硬度分御曲线。可见，激光熔覆试样沿层深方向的硬度分布呈现三个区域， 寄已，雹)窖!疆暑皇48譬 【z2薯u印删23t苫 第人章激光熔覆层的性能 分别对应熔覆层( c l ) 、基底热影响区( m 屹) 和基底( s u b s t r a t e ) 。由于激光 光斑直径较小，使得激光熔覆试样结合区的宽度较窄，在硬度分布曲线上未能 显现出相应的区段。熔覆层的硬度与激光熔覆工艺参数关系不大，熔覆层的硬 度在3 5 0 - - 一4 0 0 h v o 2 之间，热影响区的硬度与激光熔覆工艺参有关。扫描速度 v = 2 m m s 的热影响区的硬度( 在3 5 0 7 0 0 h v o 2 之间) 明显高于扫描速度 v = 5 m m s 的热影响区的硬度( 在3 5 0 - - 5 5 0 h v o 2 之间) 。n i c r b s i + n i 包m o s 2 熔 覆层硬度明显低于n i c r b s i 熔覆层的显微硬度。 图6 _ 4n i c r b s i ：n i 包m o s z 激光熔覆层显微硬度沿层深方向分布曲线 6 2 激光熔覆层的摩擦磨损性能 将多道搭接的激光熔覆试样表面磨平，用线切割机切取2 5 x 7 x 7 m m 的长方 体试样，在m 2 0 0 型磨损试验机进行磨损试验，对磨轮采用g c r l 5 钢，磨轮直 径2 r = 4 3 8 0 m m 。分别在以下两种参数下进行摩擦磨损试验： 1 ) 载荷f = i o o n ，转速r = 2 0 0 r m i n ，时间t = 3 0 m i n ( n i c r b s i + h b n 涂层) ； 2 ) 载荷f = 2 0 n ，转速r = 2 0 0 r m i n ，时间t = 1 0 m i n ( h 1 3 钢基底、n i c r b s i 涂层和n i c r b s i + n i 包m o s 2 涂层) 。 6 2 1 摩擦系数 摩擦系数是摩擦学特性的重要指标。摩擦系数是摩擦副的综合特性，受滑 动过程中的各种因素的影响，例如：材料副配对性质、静止接触时间、法向载 荷的大小和加载速度、摩擦副的刚性和弹性、滑动速度、温度状况、摩擦表面 接触几何特性和表面层物理性质、以及介质的化学作用等。摩擦系数的大小表 式拿i，锯咎t墨2v道 天津l ：业人学硕十学位论文 征了涂层的减摩性能，从另一侧面反应了涂层的摩擦学特性。 图6 5 和图6 - 6 分别示出了n i c r b s i + h b n 涂层和h 1 3 钢基底、n i c r b s i 涂 层、n i c r b s i + n i 包m o s 2 涂层的摩擦系数随摩擦时间的变化曲线。由图可见， 两种n i c r b s i + h b n 涂层相比，涂层的摩擦系数相差不大，大约在0 2 3 - - - 0 3 7 之 间。在摩擦的初级阶段，摩擦系数是逐渐升高的，到达稳定摩擦阶段，摩擦系 数略有下降，并趋于平稳；n i c r b s i + n i 包m o s 2 涂层的摩擦系数大约在0 1 4 o 2 2 之间，远远小于h 1 3 钢基底和n i c r b s i 涂层的摩擦系数。以上结果说明加 入h b n 和n i 包m o s 2 后使涂层的摩擦系数得到了有效的降低，在一定程度上起 到了自润滑的效果。 图6 - 5n i c r b s i + h b n 涂层摩擦系数与摩擦时间的关系曲线 t i n e ( n l i | 1 ) 图6 6h 1 3 钢、n i c r b s i 涂层和n i c r b s i + n i 包m o s 2 涂层摩擦系数与摩擦时间的关系曲线 第 章撒光摇镯层的性能 6 2 2 磨损性能 图6 7 为n i c r b s i + h b n 涂层、h 1 3 钢萆底、n i c r b s i 涂层和n i c r b s i + n i 包m o s 2 涂层在不同磨损条件下的磨痕形貌。 ( a ) n i o b s i ：h b n = 1 8 ：1( b ) n i c r b s i ：h b n - - 6 ：i i ) 载荷f = 1 0 0 n ，转速，= 2 0 ( k l m l n 时间t = 3 0 m i n 条件下的磨痕形貌 a ) h 1 3 钢 ( c ) n i c r b s i + n i 乜m o s 二 2 ) 拽甜f = 2 0 n 转连忙2 0 0 f r a i n ，时1 1 jt - 1 0 m i n 条州r 的磨痕形割8 警】6 7 币m 瑞覆层住小同麝拟条制f 的磨痕j b 貌 利用公式( 6 - 1 ) t ，j 以计算激光熔蓣试样的磨损体积。 巾a 删寺：厨) - 筹- ， 上式中l n = 7 m m ( 磨损试样的宽度1 ，r = 2 1 9 m m ( 对磨轮外半径) ，扛一磨