本發(fā)明涉及超潤滑材料，具體涉及基于激光滲硼的涂層制備方法、超潤滑摩擦體系及其摩擦方法。

背景技術(shù)：

1、超潤滑性是指兩個(gè)滑動(dòng)表面之間幾乎不存在摩擦的狀態(tài)，摩擦系數(shù)低于0.01。最初，超潤滑現(xiàn)象是在原子尺度上觀察到的，其后被應(yīng)用于各類尺度的機(jī)械系統(tǒng)中，包括旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器（hdd）、滾珠軸承以及低摩擦連接器等。超潤滑技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，能夠有效減少能源損失，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省3000-5000億美元的能源開支，并減少2.9億噸的二氧化碳排放。超潤滑技術(shù)尤其在高負(fù)荷和極端工況下具有巨大潛力，它能夠提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵的使用壽命，滿足下一代飛機(jī)對效率和低功耗的需求，進(jìn)而提升機(jī)械設(shè)備的性能和可持續(xù)性。

2、在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥（特別是內(nèi)燃機(jī)氣閥）作為控制燃燒室進(jìn)、排氣的重要零件，在工作過程中需要承受高速氣流、高溫、高壓等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。這使得氣閥和閥座等關(guān)鍵部件在使用過程中易發(fā)生磨損。嚴(yán)重的磨損不僅會導(dǎo)致氣閥密封不嚴(yán)、氣體泄漏、氣閥開度變化，還會影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能及維修周期。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向高功率密度、長壽命及綠色方向發(fā)展，對氣閥的耐磨性提出了更高要求。因此，提升氣閥的耐磨性并延長其使用壽命，對于提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率具有重要意義。

3、在材料改性方面，添加自潤滑元素或自潤滑相已被證明是減少摩擦和磨損、提高涂層使用壽命的有效手段。已有研究表明，通過滲硼處理可以顯著改善材料的耐磨性和自潤滑性。然而，傳統(tǒng)的固體滲硼處理存在高溫（900-1000℃）和長時(shí)間（>6-8小時(shí)）等問題，且容易導(dǎo)致工件變形。此外，固體滲硼方法的空間局限性使得其無法對大型軸類、軸承等部件進(jìn)行整體處理，限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。

4、通過改進(jìn)氣閥和閥座的材料已被證實(shí)是提高其耐磨性的一種有效手段。盡管奧氏體型耐熱鋼已成為氣閥的主要材料，但該材料在加工過程中易產(chǎn)生裂紋，影響成品率。為了獲得優(yōu)異的材料加工性能和耐磨性能，表面鍍層技術(shù)被廣泛采用，如在氣閥表面沉積鎳基合金、鎢合金等涂層，以顯著提高氣閥的耐磨性并延長其使用壽命。然而，傳統(tǒng)電鍍技術(shù)獲得的鍍層與基體的結(jié)合力較弱，容易在高應(yīng)力環(huán)境下發(fā)生脫落。

5、聚亞烷基二醇（pag）作為一種由環(huán)氧乙烷（eo）、環(huán)氧丙烷（po）、環(huán)氧丁烷（bo）共聚而成的非離子型高分子化合物，具有優(yōu)異的低摩擦性和抗磨損特性，然而，盡管pag具有良好的潤滑性能，在直接應(yīng)用于金屬零部件時(shí)，依然無法實(shí)現(xiàn)超潤滑效果（摩擦系數(shù)接近零）。在高精度、高速及高負(fù)荷的應(yīng)用場景中，這一限制依然顯著。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)中提到的問題，本發(fā)明提出了一種基于激光滲硼的涂層制備方法、超潤滑摩擦體系及其摩擦方法，本發(fā)明采用超快速激光滲硼技術(shù)（1-5分鐘），將激光熔覆與滲硼相結(jié)合，形成具有超低摩擦、近零磨損的涂層。該涂層的組織結(jié)構(gòu)致密且結(jié)合力強(qiáng)，處理過程中對基體材料的熱影響得到有效控制，確保了材料的穩(wěn)定性。激光滲硼處理所生成的激光滲硼功能化表面能顯著增強(qiáng)pag潤滑劑的潤滑性能，實(shí)現(xiàn)了摩擦系數(shù)0.01以下的超潤滑效果，磨損接近零。激光硼化功能涂層的引入不僅改善了pag潤滑劑在極端工況下的不足，還提升了材料的耐磨性，為固-液復(fù)合超潤滑材料的應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具體采用如下的技術(shù)方案：

3、本發(fā)明第一方面提供一種基于激光滲硼的涂層制備方法，包括：

4、將硼源材料采用激光滲硼的方式在預(yù)處理后的基體材料上制備成多元硼化物涂層，其中，激光滲硼的時(shí)間為1-5分鐘，激光熔覆的激光器功率為500-1500?w，掃描速度為4-100?mm/s，光斑直徑為0.25-8?mm，搭接率為50-70%。

5、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說明，所述將硼源材料采用激光滲硼的方式在預(yù)處理后的基體材料上制備成多元硼化物涂層，具體包括：

6、將硼源材料與粘結(jié)劑溶液混合均勻，形成糊狀漿料；

7、將所述糊狀漿料涂覆在基體材料表面，涂層厚度控制在200-1600?μm之間；

8、待漿料均勻涂覆并干燥后，進(jìn)行激光熔覆滲硼處理，形成多元硼化物熔覆層。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說明，所述粘結(jié)劑選用聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、硅酸鈉、羧甲基纖維素鈉溶液中的一種或幾種。

10、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說明，所述將硼源材料與粘結(jié)劑溶液混合均勻，形成糊狀漿料，具體包括：

11、將粘結(jié)劑溶解于水中，進(jìn)行超聲分散均勻化處理，得到濃度為3-10wt.%的粘結(jié)劑溶液；

12、將所述粘結(jié)劑溶液和所述硼源材料混合后進(jìn)行混合攪拌處理，其中粘結(jié)劑溶液和硼源材料的質(zhì)量比為0.5:1-2:1，獲得均勻的含硼糊狀漿料。

13、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說明，所述將硼源材料采用激光滲硼的方式在預(yù)處理后的基體材料上制備成多元硼化物涂層，具體包括：

14、將硼源材料粉末采用激光送粉的方式，在基體材料進(jìn)行激光滲硼處理，使硼源材料和基體表面同步熔化，生成多元硼化物涂層。

15、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說明，所述硼源材料為無定形硼、碳化硼、硼化鐵、硼化鈦、硼化鎳中的一種或幾種；

16、所述基體材料為cocrni中熵合金、al0.3cocrfeni高熵合金、alcocrfeni2.1高熵合金、cocrfenimn高熵合金中的一種。

17、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說明，所述激光滲硼過程在氬氣氛圍下進(jìn)行。

18、本發(fā)明第二方面提供一種超潤滑摩擦體系，所述摩擦體系中包含一組摩擦副和摩擦副之間的潤滑介質(zhì)，其中一摩擦副為上述的制備方法得到的含有多元硼化物涂層的基體材料，潤滑介質(zhì)為聚亞烷基二醇潤滑劑溶液。

19、本發(fā)明第三方面提供一種超潤滑摩擦體系的摩擦方法，包括：

20、以上述的制備方法得到的含有多元硼化物涂層的基體材料和氮化硅球作為一組摩擦副，以聚亞烷基二醇潤滑劑溶液作為潤滑介質(zhì)，在施加2-50?n的法向載荷，滑動(dòng)速度為2-18?mm/s的條件下進(jìn)行往復(fù)摩擦試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)0.01以下的超潤滑效果。

21、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說明，所述聚亞烷基二醇潤滑劑溶液的配制過程為：將聚亞烷基二醇潤滑劑溶解于水中，超聲處理后獲得混合均勻的潤滑劑占比為20?wt%~60wt%的潤滑劑溶液。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

23、1.?本發(fā)明采用超快速激光滲硼功能化策略，在1-5分鐘短時(shí)處理周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)硼元素的梯度滲入，形成厚度200-1600μm的致密硼化層。相較于傳統(tǒng)固體滲硼法高成本、耗時(shí)長（需900-1000℃保溫6-8小時(shí)），本方法結(jié)合高能激光的局部能量場調(diào)控優(yōu)勢，可瞬時(shí)（毫秒級）實(shí)現(xiàn)材料局部熔凝與原子擴(kuò)散，省去傳統(tǒng)工藝的整體加熱和長時(shí)間保溫環(huán)節(jié)，將熱影響區(qū)限制在直徑0.1-2mm的微區(qū)域內(nèi)，使?jié)B硼效率提升60倍，為大型機(jī)械部件的局部表面增強(qiáng)和耐磨性提供了一種可行的解決方案。

24、2．采用本發(fā)明的激光滲硼功能化策略可對大型零部件進(jìn)行局部處理，從而顯著提高摩擦副接觸區(qū)域的硬度和彈性模量。內(nèi)燃機(jī)氣閥常用的奧氏體耐熱鋼（硬度僅2-3gpa）及電鍍硬鉻層（硬度8-10gpa）因基體結(jié)合力差或高溫軟化失效，難以滿足高應(yīng)力接觸面的抗壓需求。本發(fā)明通過激光滲硼功能化策略，其硬度（25gpa）和彈性模量（250gpa）分別達(dá)到傳統(tǒng)電鍍層的3倍和1.5倍，可有效抵御氣閥與閥座閉合瞬間的局部壓強(qiáng)（＞800mpa），將接觸面損耗深度從常規(guī)涂層的50-80μm降至10μm以下，顯著延長涂層服役壽命。

25、3.?通過激光滲硼與pag潤滑劑的協(xié)同作用，提出了一種新的固-液復(fù)合超潤滑體系，實(shí)現(xiàn)了摩擦系數(shù)低于0.01的超潤滑效果。傳統(tǒng)鎳基熔覆層雖能提升氣閥表面硬度，但在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)或潮濕工況中因潤滑膜缺失導(dǎo)致摩擦系數(shù)高達(dá)0.6-0.8，加速密封面磨損。本發(fā)明獲得的滲硼功能化表面，與pag潤滑劑磨合后其摩擦系數(shù)降至0.01以下，耐磨性大幅度提升。在水上風(fēng)電、水上發(fā)電等領(lǐng)域，特別是在已經(jīng)使用pag的工業(yè)油品場景中，本發(fā)明提供了一種摩擦更小、磨損更低的超潤滑解決方案，推動(dòng)了設(shè)備在嚴(yán)苛濕度環(huán)境下的長效可靠服役。

26、本技術(shù)方案的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本技術(shù)方案而了解。本技術(shù)方案的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

27、下面通過附圖和實(shí)施例，對本技術(shù)方案的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。