本發(fā)明涉及金屬材料表面復(fù)合改性，特別涉及一種復(fù)合改性減摩耐磨表面及其激光兩步法加工方法。

背景技術(shù)：

1、權(quán)威統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，由于摩擦導(dǎo)致的能源消耗和機(jī)械零件失效分別占30%和80%以上。因此，摩擦學(xué)問(wèn)題的深入研究在首倡節(jié)能減排的當(dāng)今具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。如何減少由于材料摩擦磨損導(dǎo)致的失效，進(jìn)而提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和服役壽命一直都是摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。

2、表面工程通過(guò)利用物理、化學(xué)或機(jī)械等方法或技術(shù)提高材料表面的摩擦學(xué)性能且不影響基體材料本身的優(yōu)良性能，能夠有效的延緩和控制摩擦、磨損和腐蝕等原因造成的表面失效。其中，表面織構(gòu)、表面硬化和固體潤(rùn)滑技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械裝備關(guān)鍵零部件摩擦學(xué)性能的提升。

3、表面織構(gòu)技術(shù)已經(jīng)被證明能夠在干摩擦、邊界、混合、彈性流體力學(xué)等條件下提高材料表面的摩擦學(xué)性能，其原理通常被認(rèn)為是充當(dāng)微小流體動(dòng)力潤(rùn)滑軸承、減少摩擦界面的直接接觸、作為微型儲(chǔ)油池和捕獲磨屑。然而在惡劣工況下，由于織構(gòu)化表面的有效承載面積變小，在摩擦過(guò)程中材料的磨損會(huì)導(dǎo)致織構(gòu)服役壽命降低，表面織構(gòu)的磨損失效會(huì)導(dǎo)致更高的摩擦阻力和磨損。此外，激光表面織構(gòu)化過(guò)程中在織構(gòu)周圍形成的重鑄層會(huì)在摩擦磨損過(guò)程中演變成硬質(zhì)磨粒，造成更加嚴(yán)重的磨粒磨損。固體潤(rùn)滑材料通過(guò)在摩擦過(guò)程中釋放出潤(rùn)滑成分從而提高減摩耐磨性能。尤其是二維層狀材料在摩擦接觸區(qū)域內(nèi)的層間滑移可以減小摩擦副材料的直接接觸，進(jìn)而減小磨損。然而由于固體潤(rùn)滑材料附著性能差、摩擦過(guò)程中的移位等原因會(huì)導(dǎo)致脫落，這會(huì)降低固體潤(rùn)滑材料的耐久性。表面硬化能夠大幅提高材料表面的耐磨性能，將其與表面織構(gòu)和固體潤(rùn)滑技術(shù)相結(jié)合，形成復(fù)合改性表面能夠更好的滿足日趨復(fù)雜的摩擦工況的需求。

4、因此，本發(fā)明提出了一種復(fù)合改性減摩耐磨表面及其激光兩步法加工方法，將表面織構(gòu)、表面硬化和固體潤(rùn)滑技術(shù)相結(jié)合，將有助于提升表面織構(gòu)和固體潤(rùn)滑劑的耐久性，同時(shí)硬化的表面也具有較高的耐磨性。上述技術(shù)將有助于提升機(jī)械裝備關(guān)鍵零部件摩擦副在復(fù)雜工況下的摩擦學(xué)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)邊界潤(rùn)滑工況條件下摩擦副直接接觸導(dǎo)致的材料摩擦磨損問(wèn)題，和單一表面處理工藝制備的改性表面耐久性不足和減摩耐磨性能無(wú)法滿足日益提升的實(shí)際工況需求的問(wèn)題，提出了一種復(fù)合改性減摩耐磨表面及其激光兩步法加工方法。其機(jī)理在于，將固體潤(rùn)滑材料填充在表面織構(gòu)內(nèi)，在摩擦磨損過(guò)程中固體潤(rùn)滑材料會(huì)被釋放到摩擦接觸表面。此外，摩擦磨損過(guò)程中形成的磨粒被填充了主要由軟金屬材料組成的固體潤(rùn)滑劑的織構(gòu)捕獲，一方面降低磨粒磨損，另一方面固體潤(rùn)滑材料被擠壓至摩擦接觸表面。被釋放或擠壓到摩擦接觸表面的固體潤(rùn)滑材料能夠減少直接接觸，提高表面的減摩耐磨性能。硬化的表面能夠具有更好的耐磨性，提高織構(gòu)化表面有效承載區(qū)域的耐磨性，進(jìn)而提高表面織構(gòu)的耐久性。上述協(xié)同作用使得復(fù)合改性表面具有優(yōu)異的減摩耐磨性能和較長(zhǎng)時(shí)間的服役壽命。

2、所述復(fù)合改性減摩耐磨表面具有表面織構(gòu)、固體潤(rùn)滑材料和表面硬化層。所述表面織構(gòu)通過(guò)激光表面織構(gòu)化技術(shù)加工；所述固體潤(rùn)滑材料通過(guò)機(jī)械填壓和激光燒蝕的方式填充在織構(gòu)內(nèi)；所述表面硬化層是在激光線掃描進(jìn)一步燒蝕填充固體潤(rùn)滑劑的同時(shí)形成的。

3、所述表面織構(gòu)是由激光逐個(gè)加工、燒蝕形成的規(guī)則圖形陣列，所述圖形可以是直徑或外接圓直徑為80~200?μm的圓形或多邊形，所述表面織構(gòu)的面積密度根據(jù)實(shí)際工況需求可設(shè)置為10%~25%。

4、所述固體潤(rùn)滑填充材料由低熔點(diǎn)軟金屬材料和二維層狀材料組成，其中軟金屬材料是粒徑為15~25?μm的球狀粉末，二維層狀材料是亞微米尺寸級(jí)別的粉末，二者以一定比例充分混合，通過(guò)機(jī)械填壓的方式預(yù)填充在織構(gòu)內(nèi)，然后通過(guò)激光線掃描處理進(jìn)一步燒蝕填充在織構(gòu)內(nèi)。

5、?所述表面硬化層是在激光線掃描進(jìn)一步燒蝕填充固體潤(rùn)滑劑的同時(shí)形成的，激光線掃描加工表面時(shí)的快熱快冷機(jī)制使表面發(fā)生了相變、產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，形成了厚度約為10~30?μm的硬化層。

6、一種復(fù)合改性減摩耐磨表面及其激光兩步法加工方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）基體材料的預(yù)處理：進(jìn)行機(jī)械打磨拋光，得到ra≈0.02的基體材料表面，并通過(guò)超聲清洗和烘干獲得潔凈、干燥的基體材料表面；（2）第一步激光加工：將基體材料放置于激光加工工作臺(tái)，導(dǎo)入預(yù)先設(shè)計(jì)的規(guī)則織構(gòu)陣列，然后進(jìn)行激光逐個(gè)加工燒蝕，得到激光織構(gòu)化處理的表面；（3）固體潤(rùn)滑材料預(yù)填充：首先將固體潤(rùn)滑材料中低熔點(diǎn)軟金屬材料和二維層狀材料按照一定比例充分混合，通過(guò)機(jī)械填壓的方式預(yù)填充在織構(gòu)內(nèi)；（4）第二步激光加工：將預(yù)填充固體潤(rùn)滑材料的織構(gòu)化工件放置于工作臺(tái)，進(jìn)行激光線掃描加工。

7、綜上，本發(fā)明提出了一種獲得復(fù)合改性表面的激光一體化加工新方式，能夠發(fā)揮表面硬化、表面織構(gòu)和固體潤(rùn)滑技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，三者在減摩耐磨性能方面的協(xié)同作用，能夠有效改善機(jī)械裝備關(guān)鍵零件摩擦副的減摩耐磨性能。

技術(shù)特征：

1.一種復(fù)合改性減摩耐磨表面，其特征在于，所述復(fù)合改性減摩耐磨表面具有表面織構(gòu)（1）、固體潤(rùn)滑材料（2）和表面硬化層（3）。所述表面織構(gòu)（1）通過(guò)激光表面織構(gòu)技術(shù)加工；所述固體潤(rùn)滑材料（2）通過(guò)機(jī)械填壓和激光燒蝕的方式填充在織構(gòu)內(nèi)；所述表面硬化層（3）是在激光線掃描進(jìn)一步燒蝕填充固體潤(rùn)滑材料（2）的同時(shí)形成的。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合改性減摩耐磨表面，其特征在于，所述表面織構(gòu)（1）是由激光逐個(gè)加工、燒蝕形成的規(guī)則圖形陣列，所述圖形可以是直徑或外接圓直徑為80~200?μm的圓形或多邊形，所述表面織構(gòu)的面積密度根據(jù)實(shí)際工況需求可設(shè)置為10%~25%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合改性減摩耐磨表面，其特征在于，所述固體潤(rùn)滑材料（2）由低熔點(diǎn)軟金屬材料（6）和二維層狀材料（7）組成，其中軟金屬材料（6）是粒徑為15~25μm的球狀粉末，二維層狀材料（7）是亞微米尺寸級(jí)別的粉末，二者以一定比例充分混合，通過(guò)機(jī)械填壓的方式預(yù)填充在織構(gòu)內(nèi)，然后通過(guò)激光線掃描處理進(jìn)一步燒蝕填充在織構(gòu)內(nèi)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合改性減摩耐磨表面，其特征在于，所述表面硬化層（3）是在激光線掃描進(jìn)一步燒蝕填充固體潤(rùn)滑劑的同時(shí)形成的，激光線掃描加工表面時(shí)的快熱快冷機(jī)制使表面發(fā)生了相變、產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，形成了厚度約為10~30?μm的硬化層。

5.一種復(fù)合改性減摩耐磨表面及其激光兩步法加工方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：基體材料（4）的預(yù)處理，進(jìn)行機(jī)械打磨拋光，得到ra≈0.02的基體材料表面，并通過(guò)超聲清洗和烘干獲得潔凈、干燥的基體材料表面；步驟2：第一步激光加工，將基體材料（4）放置于激光加工工作臺(tái)，導(dǎo)入預(yù)先設(shè)計(jì)的規(guī)則織構(gòu)陣列，然后進(jìn)行激光逐個(gè)加工燒蝕，得到激光織構(gòu)化處理的表面；步驟3：固體潤(rùn)滑材料（2）預(yù)填充，首先將固體潤(rùn)滑材料中低熔點(diǎn)軟金屬材料（6）和二維層狀材料（7）按照一定比例充分混合，通過(guò)機(jī)械填壓的方式預(yù)填充在織構(gòu)內(nèi)；步驟4：第二步激光加工，將預(yù)填充固體潤(rùn)滑材料（2）的織構(gòu)化工件放置于工作臺(tái)，進(jìn)行激光線掃描加工，加工過(guò)程中獲得硬化層（3）并去除織構(gòu)化處理過(guò)程中產(chǎn)生的重鑄層（5），最終得到所述的復(fù)合改性減摩耐磨表面。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種復(fù)合改性減摩耐磨表面及其激光兩步法加工方法。所述復(fù)合改性減摩耐磨表面具有表面織構(gòu)、固體潤(rùn)滑材料和表面硬化層。所述表面織構(gòu)通過(guò)激光表面織構(gòu)技術(shù)加工；所述固體潤(rùn)滑材料由低熔點(diǎn)軟金屬材料和二維層狀材料組成，通過(guò)機(jī)械填壓的方式預(yù)填充在織構(gòu)內(nèi)，然后通過(guò)激光線掃描處理進(jìn)一步燒蝕填充在織構(gòu)內(nèi)；所述表面硬化層是在激光線掃描進(jìn)一步燒蝕填充固體潤(rùn)滑劑的同時(shí)形成的。所述激光兩步法加工方法具體包括：第一步在表面逐個(gè)燒蝕、加工形成規(guī)則的表面織構(gòu)陣列；第二步表面線掃描加工，燒蝕填充的固體潤(rùn)滑材料的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)表面的整體硬化，并且消除在第一步織構(gòu)加工過(guò)程中形成的重鑄層。

技術(shù)研發(fā)人員：郭前建,王文華,袁偉,池寶濤,張成,李雨倩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8