本發明涉及一種生成減摩性多孔結構修復涂層的方法。

背景技術：

目前，國民經濟各領域大型裝備如工程機械、礦山機械、重型車輛零部件每年因摩擦磨損造成了巨大損失，2008年全國因摩擦磨損造成的損失高達9500億元。對于磨損部件，處理方式往往是簡單地更換新品，粗放、浪費現象嚴重，與國家倡導的綠色制造、循環經濟戰略相違背。

分析發現，磨損最為嚴重的部件一般以滑動摩擦副為主，如滑塊與導軌、活塞與腔壁、滑動軸承與軸頸等，特點為：使用中承受著較大的沖擊和振動載荷、頻繁的接觸工作時間，處于極端的高溫高壓環境之下，制造材料由于種種限制如運行環境、加工工藝等對于極端工況的承受能力有限，經過一段時期運行后精度和安全可靠性有所下降達不到使用要求，但并未完全失效。

因此，在優化設計和裝配的前提下，借助先進的再制造手段，在摩擦、磨損部位制備以減摩性為主的高性能涂層，從而恢復乃至提升其服役性能是可行和有利的。如能實現現場甚至在線的快速修復或強化，對于促進經濟效益、提高裝備完好率、實現可持續發展都有著重要的戰略意義。

當前借助先進的表面成形技術，再制造修手段主要有激光熔覆、等離子熔覆、電子束焊接、熱噴涂、離子鍍、電刷鍍等。如裝甲兵工程學院徐濱士院士主導推廣的自動化高速電弧噴涂再制造成形，自動納米電刷鍍等系統性的再制造修復技術；西北工業大學黃衛東教授等主持的航空發動機鈦合金葉片等零部件的激光再制造成形方法；上海寶冶工程技術公司研究和應用了高能微弧冷焊再制造成形技術等；美國Sandia實驗室研發了激光近成形LENS的再制造成形技術；加拿大研發微束等離子弧再制造成形技術及其自動化作業設備系統；俄羅斯研發高溫合金粉末冶金再制造技術、熱障涂層再制造技術等，解決了高溫部件等關鍵零部件的高性能再制造。

綜合來看，目前再制造成形以高能量場技術居多，具有速度快、效率高、合金成分可調等特點，但也存在設備復雜、相對成本高、修復厚度不易控制、修復區存在熱影響殘余應力等問題，實際上對于高熔點硬質材料、損傷較大（體積損傷）的待修復零件會更為理想。而對于材質相對偏軟、損傷較小（表面損傷）的摩擦副而言可能并不完全適用。如果修復成本過高甚至超過了更換新品的價值，那就失去了節能降耗的意義。因此客觀上需要有一種比較輕便、簡單、易控的修復方法。

實際上，作為低成本涂層方法的電沉積技術已引起了業界的注意。電沉積相對工藝簡單、操作方便、制備的納米薄層有著較好的摩擦性能和耐熱耐蝕特性，對于損傷量較小零件的修復確實具有高能技術無法比擬的優勢。如自動化納米電刷鍍即為典型代表，它在電刷鍍液中加入特定功能的納米顆粒，通過刷筆刷鍍得到高性能沉積層，已用于機械零部件表面修復、強化再制造中。此類方法目前在軍工裝備中使用較多，在民用裝備制造業中還未普及。先進表面工程技術群需要類似的技術、方法不斷產生，而再制造在智能化、復合化、微納化和功能化的發展趨勢也要求更多具備綜合特點的加工方式出現和完善。

技術實現要素：

本發明提供了一種通過射流電沉積方法在摩擦副摩擦磨損位置簡便經濟地制備多孔結構減摩涂層的方法，對于貴重損傷部件的再利用具有重要意義。該方法具有以下特點：①可制備具有表面多孔納米結構的銅沉積層，有改變多孔結構尺寸和分布的手段，存在演變為減摩性表面織構的可能；②定域性好易于數控結合。

本發明通過以下方法實現，具體操作步驟如下：

1．基體表面預處理。為獲得較好的結合力及沉積效果，需進行以下預處理工序：拋光處理：先用400目金相砂紙打磨基體如摩擦副表面去除其氧化層，再以800、1000目金相砂紙研磨、拋光，確保基體表面達到一定粗糙度；表面清洗：蒸餾水清洗基體表面，后用丙酮擦洗約5分鐘除油處理。

2．配置電解液。電解液的成分和和工藝參數分別為：五水硫酸銅250-300g/L，濃硫酸50g/L，電解液溫度25℃。

3．工藝參數：矩形噴嘴口徑10×1mm，圓形噴嘴口徑1-3mm，噴嘴與基體距離2-10mm。電流兩種配置方式分別為直流和脈沖：如使用直流電流，電流密度在450-500A/dm²之間為宜，脈沖電流見步驟4介紹。電解液流速200-300L/h，掃描速度為1000mm/分鐘。此區間為經驗參數供參考之用，可根據實際工況將具體參數在此范圍內調節、選擇。

4．針對性地控制兩大參數：掃描層數、脈沖電流參數可達到改變多孔結構尺寸、分布的效果。根據下列調試原則，可得到均勻分布的微孔蜂窩狀結構，微孔尺寸基本在微米級尺度。

1）調節掃描層數： N=400、600、800、1200層。

通過設定數控設備參數，可控制掃描層數為400-1200層。前述技術原理中提到電沉積過程中，首先沿電場方向優先生長形成山頂山脊，構成經線狀晶粒團聚體，然后側向生長橫向鋪展，形成緯線狀晶粒團聚體，互相搭接構成了多孔網狀沉積層結構。當沉積層數不斷增加經線狀晶粒團生長逐漸密化，形成的網狀孔洞尺寸不斷減小并最終閉合，沉積層表位微觀結構會越來越致密。根據實踐經驗，當沉積到1200層時沉積層中的孔洞已被完全覆蓋呈致密狀。因此根據以上程序，調整數控程序在400-1200層之間，400層比較均勻，孔洞較大，具有一定的厚度。而隨著層數增加孔洞的總面積逐漸減小。以上所述在實際工況中因加工環境等影響可能會有輕微變化，但基本演變規律保持不變。應根據實際需要選擇層數，具體厚度見附圖8中數據作為參考。

2）脈沖電流參數調整：占空比、脈沖電流頻率、峰值電流密度

脈沖電流調整手段包括占空比、頻率、峰值電流密度三個方面，應根據具體情況進行相應調試，以下為相關原則：

脈沖電流的占空比調試原則：占空比1:1-1:7范圍內沉積層呈多孔結構。占空比直接影響了沉積擴散層內金屬陽離子的濃度恢復，也影響了多孔微觀組織結構。隨著占空比的增大，逐漸由不均勻、粗大的多孔結構過渡到精細、均勻的微孔結構，見附圖5所示。占空比1:7時的多孔結構要比占空比1:3更為致密、均勻。因此可按實際需要選擇合適的占空比。

脈沖頻率調試原則：脈沖頻率不宜太高，過高頻率會造成沉積層組織細化、孔洞減少、致密性提高。脈沖頻率1250-2500Hz之間時，具有較為均勻的多孔結構分布。

峰值電流調試原則：峰值電流密度可在400-500A/dm²之間選擇，其一般規律為：隨著峰值電流密度的增大，沉積層孔洞數量增多、尺寸增大，見附圖6所示。前述沉積層多孔結構隨層厚變化規律可知，多孔結構會隨層厚增加而閉合、致密。峰值電流密度高則沉積層次數減少，導致沉積層數未達到微孔閉合所需層數時，會在沉積層表面出現較多的微孔。同一厚度沉積層，峰值電流密度低則需要沉積層數多，在沉積達到要求厚度之前微孔已閉合，因此組織結構相對較為致密，多孔組織較難獲得。

技術原理：

1．射流電沉積方法原理見附圖1。該工藝與普通電沉積不同，電解液以射流態從陽極噴嘴噴出至陰極區，特點體現在：①大幅度提高極限電流密度，沉積速度快；②可獲得不同微、納組織結構和表面結構；③良好的定域性。噴嘴指向的工件表面才會發生沉積；④工藝參數簡便、直接，如調整電流密度、掃描速度、流速都可改變沉積層的微觀結構。

2．射流電沉積的特殊性滿足了滑動摩擦副減摩性涂層的制備要求：

（1）速度快工藝簡單。涂層的修復厚度可在微米到毫米尺度內精確調節，而調節手段為電流密度、流速等，簡單直接易于操作，設備和修復成本較低，符合再制造工程高效、經濟的要求。

（2）定域性滿足定向修復。磨損表面多存在點蝕或劃傷的失效情況，而射流電沉積的可變口徑圓形、矩形噴嘴以及數控掃描方式則保證了相應損傷位置的準確修復。

（3）可產生符合摩擦副需要的多孔性減摩、強化層。射流電沉積層具有致密、多孔兩種結構，通過控制工藝參數可使材料致密性發生變化，產生多孔結構涂層，并在此基礎上可演變進化為更加合理的表面織構。這種多孔材料可吸附、存儲一定的潤滑劑。一旦對摩中產生磨粒和其他衍生物也可收納同時將潤滑劑趕出釋放，在自潤滑的同時把磨損風險降低，具有減摩效果。

（4）多孔性涂層的產成機理。電沉積過程中單位時間和面積內形核數量以及結晶生長特點決定了多孔結構的生成，按形成過程存在下列環節：

（a）成核過程。根據電沉積工藝特點，成核在一定外界能量下會在陰極表面特定能量狀態的位置上產生。因所需能量較少，會優先發生在活性較高的某陰極點，而活性低較低的點所需能量較大則不足以成核。

（b）形核過程。當射流電沉積往復掃描速度慢時，電場作用充分，活性高點增多，形核數量也隨之增加。掃描速度速度加快則電場作用減弱形核數量減少。

（c）晶核長大。晶核會不斷按不同方向長大，當噴嘴往復逐層掃描時，前次掃描中已成核晶體表面或周圍會產生新晶核并一起形成團聚體。當噴嘴再次掃過時，新晶核會在晶核團聚體表面及周圍沿電場方向和垂直電場方向堆積生長。

（d）成多列山谷狀并互相搭接構成多孔分布。射流電沉積特有的高電流密度使晶粒沿電場方向優先生長，導致晶核團堆積成多列山脊狀或田壟狀分布，之間形成山谷狀間隙，如附圖2所示。“脊頂”因邊緣效應側向生長并鋪展，當鄰列“山谷”間晶粒團側向生長致互相搭接時，就形成了多孔網狀的沉積層結構，如附圖3所示。當繼續沉積層數達到一定厚度時，這種側向搭接生長加劇使孔洞尺寸不斷減小，沉積層愈發致密，并最終閉合，形成較致密的沉積層。

因此如上所述，多孔結構形成關鍵是提供適當但并不充分的電場，這需要提供合適的電流參數（包括占空比、電流密度、電流頻率），同時掃描速度宜快，層數不宜過多。如果按需求選擇合適的參數，則多孔結構的尺寸和分布均可調節。

本發明特點在于以生成多孔性結構涂層作為減摩性材料為技術核心，通過多種手段影響多孔尺寸和分布：

(1) 通過射流電沉積本身具有定域性好和可產生特殊表面結構的特點，針對滑動摩擦副磨損現象在其表面進行修復增強思路，去解決工程中普遍存在的磨損損傷問題。

(2) 利用射流電沉積逐層掃描沉積中，晶粒團聚體先生成“山谷”間隙后橫向搭接構成網狀結構的過程特點，提出生成沉積層表面多孔結構涂層的技術原理。

(3) 根據技術原理給出了優化的工藝參數，提出沉積層數、電流配置等對多孔結構分布、尺寸的影響規律，給出了優化范圍。

附圖說明

圖1是射流電沉積方法原理示意圖。

圖2是高電流密度使晶粒沿電場方向優先生長的晶核團分布示意圖。

圖3是逐層掃描后的多孔結構分布示意圖。

圖4 不同層數的射流沉積層表面多孔形貌。

圖5 不同占空比沉積多孔形貌。

圖6 峰值電流密度影響下的多孔形態。

圖7是多孔狀納米晶銅表面形態。

圖8電流密度為450A/dm²下的不同掃描層數涂層厚度（mm）。

具體實施方式

其操作步驟如下：

1.對工件表面處理，依次打磨、除油、鈍化、水洗、干燥。

2.配置電解液。本實施方式中電解液的組成成分和和工藝參數分別為：

CuSO₄·5H₂O 250g/L，98%濃硫酸50g/L，電解液溫度為25℃。電解液均用分析純或化學純試劑加蒸餾水配制而成。

3.將工件放置于沉積槽內，將噴嘴對準磨損相應位置。

4.工藝參數選擇為矩形噴嘴口徑10×1mm，噴嘴與基體距離為5mm；

電解液流速300L/h，機床掃描速度1000mm/分；

脈沖電流，峰值密度450A/dm²，占空比為1：5，脈沖頻率1250HZ；

掃描層數為600層；

啟動數控程序，代碼如下：

O0001 (主程序編號)

G54 G90 G00 X-50 Y80 Z10; （建立工件坐標系，快速定位到（-10,80,10）的位置）

G01 Z-100 F1000; （定位到（-50,80，-100），進給速度為1000mm/min）

M98 P2 L900; (調用子程序P2，執行300次，掃描600層)

M30 （程序結束）

子程序P2略。

5.實驗結束。在數控加工程序結束后，Z軸會自動升起一定高度一般約5-10毫米，使噴嘴與工件脫離接觸，關停機床。

6.取出工件清洗、擦拭。

圖7即為在此工藝條件下制備的沉積層，可以看出涂層表面具有較為均勻分布的長條微孔結構，微孔尺寸大都在2×1微米左右。此種情況即為一種微孔結構尺寸與分布形態，如根據技術方案中提出的各項工藝參數，則尺寸、分布均有相應變化，可以按需求調試。