[发明专利]一种铁基复合涂层及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于表面工程技术涂层领域，涉及一种自润滑耐磨涂层，具体为一种铁基复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术

在冶金、电力、核能、航空航天、军工等领域的机械装备中，存在着大量在高速、重载、高温、高应力等苛刻工况环境下运行的关键摩擦运动副零部件。对于这些摩擦运动副零部件，普通的润滑油或润滑脂已难以或无法满足其减摩降磨需求。为了提高这些摩擦运动副零部件的使用寿命和工作可靠性，在零部件表面制备具有固体自润滑性能的耐磨涂层成为了解决上述问题的有效途径。

固体自润滑耐磨涂层主要是以金属、陶瓷或非金属为基本组元，再加入固体润滑剂，通过一定工艺制备而成的具有一定强度和自润滑性、耐磨性能的复合材料。其中，金属基自润滑耐磨材料因兼具金属材料优异的力学性能和固体润滑剂优良的摩擦学特性，能适应不同恶劣工况等优点而备受关注。目前，研究较多的金属基自润滑耐磨涂层材料以镍基为主，而有关铁基自润滑耐磨涂层材料的相关研究尚少有报道。相比于镍基合金，铁基合金价格低廉，而且综合性能好，在温度不至于过高的上述苛刻工况下服役的运动摩擦副零部件上铁基自润滑耐磨涂层材料应用前景更广阔。

随着现代工业的迅速发展和人们对机械装备品质需求的不断提升，机械装备关键摩擦运动副零部件在苛刻工况条件下的摩擦学性能要求也变得越来越高，及时开发适合于在不同苛刻工况条件下使用的新型铁基自润滑耐磨涂层材料已成为提高这些机械装备质量的有力保证。铁基自润滑耐磨涂层的质量和性能与其制备方法以及成分有关。在众多的涂层制备方法中，等离子熔覆能量高，可制备较厚的熔点极高的陶瓷涂层和硬质合金层，金属基体与涂层可形成冶金结合，且对金属基体影响小，操作方便快捷，成本较低，是在机械设备摩擦运动副零部件表面制备自润滑耐磨涂层的理想方法。为了提高铁基自润滑耐磨涂层的性能，一般使涂层中同时含有润滑相和原位合成的陶瓷强化相。TiB₂、TiN具有高硬度、优异的耐磨性、好的化学稳定性和抗氧化性，相比于单一的TiB₂和TiN，TiB₂-TiN复相陶瓷呈现出更优越的综合性能，是一种有广泛应用前景的耐磨硬质强化相。此外，TiB₂在摩擦过程中氧化还可生成具有高温自润滑作用的TiO₂。但原位合成的TiB₂-TiN等陶瓷相在涂层中的分布状态对涂层性能有重要影响。申请人前期的研究工作曾采用等离子熔覆方法成功原位制备出了TiB₂-TiN增强铁基涂层(王刚，江少群，王泽华，谢言，周泽华，易于.稀有金属与工程,2016,45(9):2342-2346.)和包含TiB₂-TiN-(hBN)的铁基涂层(S.Q.Jiang,G.Wang,Q.W.Ren,C.D.Yang,Z.H.Wang,Z.H.Zhou.International Journal of Minerals,Metallurgy and Materials,2015,22(6):613-619.)，涂层中陶瓷增强相以及涂层硬度沿层深方向均具有一定的梯度分布特征，这直接影响了涂层性能的均一性。CaF₂具有六方晶系层状结构，沿基面剪切强度低，在温度低达400℃的条件下，不管是以表面薄膜直接使用，还是以弥散相形式存在于金属基复合材料基体中，均具有较好的自润滑性能，且其价格低廉，来源广泛，因此，可用作固体润滑相。此外，在等离子熔覆涂层时，添加适量CaF₂有利于改善熔覆涂层的成型性和组织均匀性，提高涂层的质量。但至今为止，还未见利用等离子熔覆方法制备含TiB₂-TiN/CaF₂的铁基复合涂层方面的报道。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术中等离子熔覆原位合成含TiB₂-TiN的铁基自润滑耐磨涂层显微组织和硬度沿层深方向呈梯度分布，导致涂层性能均一性较差问题，本发明提供一种含TiB₂-TiN/CaF₂的铁基复合涂层，利用等离子熔覆方法制备出显微组织和硬度分布均匀的铁基自润滑耐磨涂层。该涂层可应用于在高速、重载、高温或高应力等工况下服役的关键摩擦运动副零部件表面，且具有成本较低等特点。