[發明專利]大型軸件表面梯度涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 202011482513.2
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112662986B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 覃恩偉;劉成威;陸海峰;王博;黃騫;尹嵩;吳樹輝
• 申請（專利權）人: 蘇州熱工研究院有限公司;中國廣核集團有限公司;中國廣核電力股份有限公司
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/02;C23C4/06;C23C4/11;C23C4/10
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 俞春雷

本發明公開了一種大型軸件表面梯度涂層，所述梯度涂層包括依次形成在軸件表面上的粘接層、硬度層、過渡層和潤滑層，所述粘接層的材質包含Ni和Cr，所述硬度層的材質包含YSZ材料，所述潤滑層的材質包含WSsubgt;2/subgt;，所述過渡層的材質為包含YSZ和WSsubgt;2/subgt;的復合材料。本發明的大型軸件表面梯度涂層，通過設計粘接層、硬度層、過渡層和潤滑層的梯度涂層，YSZ材料的硬度層能夠為表面涂層提供高硬度，WSsubgt;2/subgt;的潤滑層提供低摩擦系數的潤滑性能，且性能連續變化，涂層間結合強度較高，達到外硬內韌的效果。

技術領域

本發明涉及表面涂層技術領域，具體涉及一種大型軸件表面梯度涂層以及該表面梯度涂層的制備方法。

背景技術

軸件通過與支承件回轉運動以傳遞運動、扭矩或彎矩。對軸件的基本性能要求為“外硬內韌”，即通過一定的表面處理工藝，在保證基體芯部高韌性的同時，實現表層高硬度從而達到高耐磨性的效果，同時，高硬度表層是其承受重載的重要保障。

軸件與支承體間的磨損是其最主要的損傷形式，降低摩擦系數是最為直接的降低磨損的途徑，降低運動阻力從而減少能量損耗。為了降低摩擦系數，一般通過潤滑油形成油膜的方法，降低軸件－支承體間的摩擦系數，減少由于摩擦磨損導致的表面劃傷。而在重載情況下油膜被破壞，或在低溫、高溫、腐蝕介質服役環境下，潤滑油變質從而失去潤滑作用。因此，在無潤滑環境下獲得干式低摩擦表面變成一種重要的降摩減磨方法。

自潤滑材料的基本結構為層片狀，法向承載，而橫向抗剪切強度低，易發生變形，從而獲得低摩擦系數。這類材料包括石墨、二硫化鉬、二硫化鎢、立方氮化硼、氟化鈣、類金剛石涂層(DLC)等。

目前制備高硬低摩自潤滑涂層存在兩個層次的問題。首先，如何低成本在大尺寸工件上獲得高質量高硬低摩自潤滑涂層。PVD等離子沉積技術需要高真空腔室，不適用于大尺寸工件，如核電應急柴油機凸輪軸(長度大于2.4m)、重型機械液壓缸活塞桿(長度1-3m)等大尺寸軸件。其次，離子沉積速率使得其生產效率低涂層厚度有限(數微米)，最終產品的成本高。激光熔覆的生產效率較低，成本較高。因此，針對大型工件，等離子噴涂是更為實用的工藝手段。如申請號201610990809.2，專利名稱：一種自潤滑汽缸活塞的中國發明專利中公開了針對軸件采用等離子噴涂方法制備自潤滑涂層的技術方案，其采用自潤滑劑為石墨、立方氮化硼，低摩擦相與陶瓷相機械混合，再采用普通等離子噴涂成型。但是其存在如下問題：采用的自潤滑劑為石墨和立方氮化硼，其摩擦系數相對于WS₂來說，摩擦系數較高，并且采用普通等離子噴涂對于輸送小粒徑尺寸的顆粒容易出現送粉困難，導致涂層不均勻、結構不致密。傳統軸件的表面涂層通常都是直接采用高硬的陶瓷涂層，其與基體的熱膨脹系數不匹配，結合性能較差，涂層容易脫落。

發明內容

有鑒于此，為了克服現有技術的缺陷，本發明的目的是提供一種大型軸件表面梯度涂層，其能夠實現涂層表面干式低摩擦系數的效果，且梯度設計達到外硬內韌的結構，各層間結合力強。

為了達到上述目的，本發明采用以下的技術方案：

一種大型軸件表面梯度涂層，所述梯度涂層包括依次形成在軸件表面上的粘接層、硬度層、過渡層和潤滑層，所述粘接層的材質包含Ni和Cr，所述硬度層的材質包含YSZ材料，所述潤滑層的材質包含WS₂，所述過渡層的材質為包含YSZ和WS₂的復合材料。

其中YSZ材料的硬度層能夠為表面涂層提供高硬度，WS₂的潤滑層提供低摩擦系數的潤滑性能；梯度結構可以保證性能連續變化，涂層間結合強度較高，達到外硬內韌效果。

在本發明的一些實施例中，所述粘接層的材質為強塑性匹配優異的NiCr金屬合金材料；所述硬度層的材質為YSZ材料，其為易于實現納米尺度的強韌性的陶瓷材料；所述潤滑層的材質為抗高溫自潤滑WS₂材料；所述過渡層的材質為包含YSZ和WS₂的復合材料。