(完整)激光熔覆镍基二硫化钼高硬度耐磨涂层技术讲解

申请书正文

1．项目名称

激光熔覆镍基二硫化钼高硬度耐磨涂层技术的研发

2. 研究工作的科学意义

2.1研究的理论与实际意义

激光熔覆作为新兴的表面改性技术，利用高功率激光的快速熔覆效应，可以在低成本基材表面获得优异耐蚀、耐磨、耐热等性能的涂层，能控制稀释率，可局部熔覆，微观结构细致，热影响区小，并使涂层材料快速熔化和冷却而与基体材料形成良好的冶金结合，结合强度高。和传统的表面改性技术相比，激光熔覆技术具有如下独特的优点：（1）技术经济效益好，可灵活地在一些表面性能差、价格便宜的基体金属表面制备出耐磨损、耐腐蚀、耐高温的不同成分的合金，用以取代昂贵的整体合金，从而大大降低成本；

（2）可在同一基体上通过激光熔覆灵活地制备出各种不同成分和性能的表面合金层，并可在同一零件的不同部位根据需要进行不同的熔覆；根据零件耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化的实际工况要求，可任意配制熔覆的成分；

（3）激光束能量密度高（激光熔覆所需功率为激光淬火的2~4倍），凝固时冷却速度快（105~106℃/s），激光熔覆层凝固组织细小，凝固偏析很轻，并有可能产生过饱和相、亚稳相和非晶相；

（4）所形成的熔覆层与基体间的结合为冶金结合，在结合界面附近，熔覆涂层组织具有明显的梯度渐变特征，保证了熔覆涂层与基体之间良好的结合力。

基于当前工业生产中高温、高湿环境对零部件耐磨涂层提出更高要求，当前国内外相关科研机构对形成熔覆层的基体材料展开大量研究，二硫化钼作为机械磨损领域最重要的固体润滑剂，特别适用于高温高压下。它还有抗磁性，可用作线性光电导体和显示P型或N型导电性能的半导体，具有整流和换能的作用。二硫化钼还可用作复杂烃类脱氢的催化剂。它也被被誉为“高级固体润滑油王”。与传统的液体润滑剂相比，其具有如下优势：（1）彻底地消灭了漏油，干净利索，大大的促进了文明生产；

（2）能节省大量的润滑油脂；

（3）改善运行技术状况，延长检修周期，减轻了维修工人的劳动强度，节约劳动力；

（4）由于二硫化钼的摩擦系数低，摩擦设备间产生的摩擦阻力小，可以节约电力消耗，根据兄弟单位的测定可节约电力为12%；

（5）能减小机械磨损，延长摩擦设备的使用寿命，减少设备零件的损耗，提高设备的出勤率；

（6）应用二硫化钼润滑，可以解决技术关键，提高工作效率和工作精度；

（7）二硫化钼具有填平补齐的作用，可以恢复某些零件的几何尺寸，延长使用寿命；

（8）二硫化钼具有防潮、防水、防碱，防酸等特性；

（9）应用二硫化钼的塑料或粉末来冶炼的成型零件，可以节约大量的有色金属；

（10）某些设备采用二硫化钼润滑后，可以取消复杂的供油系统，大大简化了设备结构，相对提高了现在有效面积的利用率，同时，也将引起设备设计上的重大改革。

综合以上所述，二硫化钼固体润滑基的确是一种符合“多、快、好、省”的新型润滑材料，应该大力推广应用。然而由于二硫化钼的热稳定性差，当温度达到450℃时，出现升华现象，使其无法单独在热喷涂、等离子喷涂、激光熔覆等高温环境中实现与基体的互溶，当前工业中，只能与油脂混合，作为不能应用于液体环境中的二硫化钼润滑脂使用，肘制了它的使用范围。

2.2 国内外研究现状综述

2.2.1 激光熔覆国内外研究的现状

近年来，在保证材料本身良好的机械性能的基础上，为获得优异的摩擦磨损性能，利用激光熔覆等手段在材料表面喷涂/涂覆高硬度、高耐磨涂层是研究的热点。

李军等采用激光熔覆原位合成技术在不锈钢基体表面制备了TiB2/WC增强镍基复合涂层，结果表明，涂层主要由TiB2、WC、γ-Ni 等物相组成，细小的TiB2和WC 粒子主要分布于γ-Ni 枝晶间，可阻碍基体晶粒晶界的推移长大；涂层具有较高的抗裂能力，与基体具有较好的结合强度。王华明等在不锈钢基体上激光熔覆制备了Mo-Ni-Si、Mo-Co-Si 等系列的耐磨材料涂层体系，研究表明这些耐磨涂层均具有很高的硬度以及良好的耐磨性能。张大伟等在2Cr13马氏体不锈钢表面激光熔覆Ni基及Ni+Cr3C2合金，对比研究分析发现，Ni基合金涂层的的组织主要为γ-Ni，添加Cr3C2涂层中生成了较多的碳铬和硼铬化合物。A．Yakovlev等利用Nd：YAG激光熔覆含自润滑材料CuSn和增强相陶瓷材料WC/Co 的金属基耐磨复合涂层，实验结果显示当粉末中金属基（C 1.35，Cr 30.5，Fe 3，Ni 3，Si 1）、自润滑材料（CuSn）与陶瓷材料（WC/Co）百分比分别为56、24与20时，制备出的涂层拥有高的硬度和低的摩擦系数（平均显微硬度为730 HV，室温下平均摩擦系数为0.12）。李松林，向锦涛，周伍喜，李玉玺，陈文等采用超音速火焰喷涂（HVOF）在1Cr18Ni9Ti 不锈钢表面制备WC-（W，Cr）2C-Ni耐磨复合涂层，研究结果显示涂层中的硬质相WC 保证了涂层具有优异的耐磨性能。

综上所诉，激光熔覆技术发展前景广阔，主要将朝着以下几个方面深入研究：

（1）制备激光熔覆专用材料。目前采用的熔覆材料是从喷涂合金材料中套用过来的，不能体现激光熔覆技术本身的优越性，因此对常用基材根据需求采用的熔覆材料做系统性定量分析，并供研究生产查阅；

（2）探索激光熔覆最优工艺。优化激光熔覆加工各工艺参数，构建起各参数之间

关系的数据库，方便根据不同熔覆材料选取最优工艺参数，以满足工业生产的需要；

（3）深入研究激光熔覆理论。目前对激光熔覆的理论研究还是比较浅层次的，应深入对熔覆层微观组织的形成、演化机理及规律的研究；通过对熔池的温度场分布与对流机制的研究，建立熔覆过程物理模型；研究界面的精细结构，并应用计算机模拟分析，基本实现界面的相容性设计；

（4）开发激光熔覆新工艺新方法。探索激光熔覆技术与其他相关加工方法结合的新技术，达到“1+1>2”的共赢模式，不仅能解决激光熔覆技术本身带有的一些先天不足，还能拓展未来激光熔覆技术应用领域，使该技术能突破“瓶颈”，实现质的飞跃。

2.2.2二硫化钼当前应用的现状及问题

二硫化钼(MoS2)作为固体润滑剂的历史可以上溯到17世纪。在19世纪中期的加利福尼亚淘金热时代，二硫化钼就被作为马车轴承润滑剂。二战期间，德国的马克思·普朗克研究所和美国国家航空和宇航局的前身国家航空委员会都曾进行过将二硫化钼用于工业应用的试验，并开发了有机粘结固体润滑膜。到20世纪50年代初，美国制定二硫化钼的美国军用标准，并将其作为军事机密。随后，二硫化钼溅射膜和离子镀膜相继出现。在新兴的产业部门和新兴的技术领域中都在逐渐应用固体润滑，如以机器人和电子计算机为主的电子机械中，其主要的润滑部分(如齿轮机构、谐波减速器、轴承、滚珠丝杠、链索和链轮等)就是常用聚四氟乙烯和二硫化钼润滑剂。常见二硫化钼干膜的组份、使用方法和用途见表1。