在金属表面激光熔覆高温自润滑涂层的方法 【技术领域】
本发明涉及一种在金属表面激光熔覆制备高性能高温自润滑涂层的方法。
背景技术
六方氮化硼(hBN)又称“白色石墨”，呈类石墨层状结构，具有耐高温、耐腐蚀、较高的化学惰性、优异的热稳定性，在空气中耐温至900℃不发生显著氧化，是一种优良的高温固体润滑剂。另一方面其“白色”的外观使其更能适于不同的应用场合。由于hBN低的表面能以及不良的可烧结性，通过常规地涂层制备技术如化学镀、粉末冶金以及火焰喷涂等，所得的自润滑复合材料都存在结构缺陷，涂层不致密，使用温度较低等不足，影响了hBN高温减摩性能的发挥。激光熔覆技术不同于传统的热喷涂技术，由于熔覆层自行构成合金体系，在保持高性能的同时与底材形成冶金结合，所得的涂层表面质量优良，内部无气孔、裂纹等缺陷。目前主要用于耐磨涂层的制备以及关键部件磨损表面的修复，而较少考虑涂层的自润滑性能。因此发展一种新型的固体自润滑材料激光熔覆技术，对于充分发挥hBN自润滑复合材料的性能，具有重要的理论意义和实用价值。
【发明内容】
本发明的目的在于克服以往高温自润滑涂层制备技术中涂层孔隙率高、涂层与基体结合强度较低的缺点，提供一种工艺稳定、较高效率的高温自润滑涂层的制备方法。
本发明可以通过如下措施来实现：
本发明采用镍包六方氮化硼作为润滑相，金属合金作为粘结相，以弱规范预熔粉体，强规范制备涂层的技术路线，在金属表面熔覆高温自润滑涂层。
一种在金属表面激光熔覆高温自润滑涂层的方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：
A、将镍包氮化硼粉末用2-8wt.％的聚乙烯醇水溶液粘结到金属基材表面，厚度为0.6～1.0mm，并烘干；金属基材选自普通不锈钢、高强度不锈钢或者镍基高温合金钢；
B、激光熔覆处理在四轴联动10000横流连续波CO2，波长为10.6μm的激光加工系统上进行，激光熔覆参数为：激光输出功率P＝1000～3600W，光束扫描速度V＝80～600mm/min，光斑尺寸D＝10×4mm，搭接率Ф＝35％，获得自润滑涂层。
在A步骤中，本发明采用的镍包六方氮化硼粉末的粒度为45-75μm。
在A步骤中，镍包氮化硼粉末中氮化硼含量为17wt.％。理论上讲，氮化硼含量大于17wt.％都是能够实现本发明目的。
在A步骤中，烘干温度为100～120℃。
在B步骤中，采用以上激光熔覆参数是为了降低激光熔覆过程中氮化硼粉末的飞溅，它属于弱规范(低功率、低扫描速度)预熔粉体，强规范(高功率、快扫描速度)熔覆涂层。
本发明与现有的六方氮化硼高温自润滑涂层的制备技术相比，具有制备过程稳定，基本无飞溅或烧损，生产效率高；所制备的高温自润滑涂层表面质量良好、内部润滑相均匀分布，粘结相连续成网状，无气孔、裂纹等缺陷；涂层与基材构成冶金结合，强度高，从而适于高温工况下机械摩擦副的润滑需求。
本发明可应用于高温苛刻工况下运转的机械摩擦副，例如涡轮发动机导向叶片、配气阀座等。
【具体实施方式】
实施例1：
取氮化硼含量为17wt.％镍包氮化硼粉末，用5wt.％的聚乙烯醇溶液粘结到普通不锈钢基材(1Cr18Ni9Ti)表面，厚度为0.6mm，烘干待用；
采用激光波长为10.6μm的横流CO2激光器照射上述不锈钢基材表面上的涂层，弱规范工艺参数P＝1000W，V＝80mm/min；强规范工艺参数P＝3600W，V＝600mm/min。光斑尺寸D＝10×4mm，搭接率Ф＝35％；涂层制备以后，表面经机械打磨。
激光熔覆镍包氮化硼所制备的高温自润滑行涂层通过X-ray衍射可以看到，涂层中氮化硼相特征峰明显，保持六方晶相结构。
表1为所制备的镍包氮化硼涂层的摩擦系数随温度的变化，由图可见在较高的温度(≥400℃)下，涂层呈现出良好的润滑性能。
表1
温度
25 100 200 300 400 500 600 700 800
/℃
摩擦 0.41 0.42 0.46 0.45 0.43 0.38 0.32 0.28 0.26
系数 ±0.02 ±0.02 ±0.02 ±0.02 ±0.02 ±0.02 ±0.01 ±0.01 ±0.01
说明：摩擦形式为球-盘接触
实施例2：
取氮化硼含量为17wt.％镍包氮化硼粉末，用5wt.％的聚乙烯醇溶液粘结到镍基高温合金钢GH4169表面，厚度为1.0mm，烘干待用；
采用激光波长为10.6μm的横流CO2激光器照射上述不锈钢基材表面上的涂层，弱规范工艺参数P＝1200W，V＝80mm/min；强规范工艺参数P＝3600W，V＝500mm/min。光斑尺寸D＝10×4mm，搭接率Ф＝35％；涂层制备以后，表面经机械打磨。
激光熔覆高温自润滑表面经过金相腐蚀以后的SEM照片，可以看出，涂层结构均匀，白色的胞状晶为Ni、黑色的部分为hBN；整体涂层致密，无气孔、裂纹等缺陷。