CN101177770B - 一种热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材及其制备方法。通过机械球磨、室温粘结、挤压的方法，制备了喷涂工艺适应性好的棒材。棒材中含有Ni、Si、Cu、Al、Cd、BN、C和氧化物，粘结剂等物质。原料可以是单质粉末或合金或化合物，氧化物可以是一种或多种；也可以是这几种材料的组合。粘结剂可以是无机物质，也可以是有机物质，还有部分添加剂和助剂混合。该棒材制备的涂层具有与基体结合强度好、良好的可磨耗性、优异的抗热震性能和抗盐雾腐蚀性能。棒材的应用范围广泛，可用于机械设备的表面改性和再制造。

Description

一种热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及热喷涂材料领域，特别是一种热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材及其制备方法。

【背景技术】

为了提高发动机效率，降低油耗，气路封严技术是重要的手段。可磨耗封严涂层由于其工艺简单、返修和调整性能容易，封严效果好而得到广泛应用。国内外可磨耗封严涂层材料大多由一定比例的金属相和具有自润滑作用的非金属的复合材料组成。金属是抗腐蚀、抗氧化，保证涂层自身的强度以及与基体的结合强度，常用的金属相镍、铝、铜及其合金等；非金属保证可磨耗性、减摩、抗粘着，常用的非金属相有石墨、六方氮化硼、二硫化钼、氟化钙、硅藻土、膨润土和高分子聚合物等。这些非金属相大多具有低硬度、低剪切强度和低摩擦系数。

现有技术中用于热喷涂的封严材料主要有以下几种：

Al-Si-聚酯：聚酯在涂层工作时烧损增加了可磨耗性，Ni基合金保证了在高温条件下使用时的抗冲蚀性和自身强度，的已经广泛应用于生产。采用等离子喷涂，可得到孔隙率较低，磨损性和耐冲蚀性均较好的涂层，耐温高达325℃，聚酯具有较低的摩擦系数，对叶片尖端几乎不磨损。涂层具有易修复的优点。Sulzer-Metco公司最近研制的MDRY2000Al-Si-聚酰亚胺封严涂层材料耐温可达350℃，采用等离子喷涂，各项性能优于Al-Si-聚酯材料，并已用于商业生产。此类材料的缺陷是使用温度范围窄，仅可用于低温封严。

铝合金-石墨：可采用火焰喷涂或等离子喷涂，耐温450℃。石墨组分在摩擦界面起润滑作用，含量为25～50％(wt)。磨损性能与Al-Si-聚酯材料相同，但抗微粒冲蚀性差。

Ni-石墨：这是热喷涂工艺中最先使用的封严涂层材料，耐温最高达425℃，用于发动机的高压压气机部位。石墨的含量为15～25％(wt)。采用火焰喷涂，可得到在一定范围内可控孔隙率的涂层。Ni-石墨材料的耐蚀性优于铝合金-石墨材料。但是，作为可磨耗组分的片状石墨粒径大，与镍的润湿性差，在制备过程中包覆不完全，导致涂层的可磨耗性能下降。

Ni-Al喷涂材料：用于发动机内壳和级间的密封，耐温高达815℃，涂层耐冲蚀性好，可磨耗性差。

此外，公开号CN1895795，申请号200510031866.X的固体润滑、封严涂层的制备方法专利，采用气体火焰喷涂将MoS₂、石墨、聚四氟乙烯等固体润滑材料粉末施加到机械零部件上形成涂层，涂层疏松多孔，厚度为100μm-5mm，经过轮压、旋拧、模具冲压等加工后，涂层的厚度能准确填补机械零部件设计、制造公差，由于涂层仍具有一定变形能力和较高的润滑能力，机械零部件的装配不会存在任何困难。这种固体润滑涂层能自动调整几何形状，达到润滑和封严双重目的，从而大大降低机械零部件之间的磨损，提高机械设备运行的平稳性和使用寿命。该种涂层材料中由于无金属粘结组分，与金属零件的结合强度不高，涂层易被磨削露出基体而失去了保护基体的作用。

上述现有技术中的各种材料以简单组分的涂层材料为主，已很难满足目前日益提高的性能的要求。

为满足对材料多功能、高性能要求，开发复合涂层不仅可以具有简单组分涂层的性能，还可以因为不同复合涂层材料，而获得特殊性能或具有高性能的涂层。封严涂层材料作为一种热喷涂材料，其发展也紧跟热喷涂材料发展趋势，具有复合组分的高性能新形态封严涂层材料日益得到重视。高性能涂层对喷涂封严材料提出了更高的要求，要根据使用温度选择材料的组成，控制涂层材料和喷涂工艺过程才能使涂层性能稳定。

此外，由于现有热喷涂过程是使用粉末状的喷涂材料，由于向燃烧室送粉出现不均匀连续，粉末在燃烧室内，由于各点温度不同，粉末的融化程度不同，特别是粉末在燃烧室内没有充分停留时间，而不能使所有粉末完全融化就被高压空气喷射到基体上。因而无法保证粒子与基体之间和粒子与粒子之间的结合强度，粉末浪费也比较严重。同时加入的组分复杂，性能各异，也很难制成分均匀、粒度范围合适的粉末。

【发明内容】

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材及其制备方法，该方法利用Ni、Si、Cu、Al、B、BN、C的单质或合金或化合物以及一种或多种氧化物为原料，采用机械球磨、室温粘结、挤压、烘干制备多组元热喷可磨耗封严涂层棒材。

本发明为解决上述问题设计了一种热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材。其特征在于所述棒材呈柱状，其中含有原料Ni、Si、Cu、Al、B、BN、C，以及粘结剂，其中：粘接剂重量占原料重量的5.0-25.0％；所述原料中按重量：BN为2.0～8.0％；C为1.0～10.0％；Si为1.0～10.0％；Cu为5.0～20％；Cd为0～3.0％；Al为0～3.0％；Ni为余量。

本发明还公开了热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材的制备方法，其特征在于所述方法包括：室温下将原料投入，进行机械球磨混合，均匀后，在球磨的同时加入为原料重量5.0-25.0％的粘结剂，继续进行球磨捏合；然后在10-60MPa压力下压制成形；升温至100～200℃，再保持1-5小时烘干，制得产品。

本发明的有益效果是：采用Ni、Si、Cu、Al、B、N、C的单质或合金或化合物以及一种或多种氧化物为原料，各种组分粉末粒度可以依据需要进行任意选择。采用如下步骤制备多组元热喷涂棒材：机械球磨，使性质不同的原材料充分混和，室温粘结，加工条件简单，挤压，保证棒材致密并具有一定强度，烘干，增加棒材强度，保证喷涂过程正常进行。本发明各种物质被棒料这样一个整体所固定，在输送过程中可以保持微分浓度恒定；在设计喷涂系统时对棒料释放微粉的位置可做适当调整，也可以方便实现轴向送料，有利于调整微粒在火焰流或离子流的分布状态，从而使微粒更均匀更迅速的获得热能和动能。并且喷涂过程材料烧损较少，具有较高的沉积率。本发明技术方法原料来源广，不需要特殊的原料和设备，生产工艺流程短，操作条件简单，生产过程易于控制。本发明所制备的棒材的热喷涂工艺适应性好，获得的涂层硬度适中，具有良好的与基材结合性能、可磨耗性能、抗热震性能和抗盐雾腐蚀性能。可应用于包括航空航天、船舶、燃气轮机、矿山、冶金、农用机械、建筑、铁路、车辆、石油、化工设备等的制造和维修。

【附图说明】

图1为热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材加工过程流程图。

以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。

【具体实施方式】

本发明热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材，通过将Ni、Si、Cu、Al、B、BN、C等各种元素的原料粉末与粘结剂进行混和、压制和烘干等工艺制得。外形为：直径Φ3.8mm-6.3mm，长度大于350mm的圆柱形。使用的粘结剂可以是无机物或是有机物。其中：无机物可以是磷酸盐或硅酸盐中的一种或二者的混合物。有机物可以是PVA、PVP、PA、PE或环氧树脂中的一种或两种及两种以上的混合物。

制备过程中，Ni、Si、Cu、Al、B、N、C等原料可以单质粉末，合金或化合物方式加入，氧化物可以是一种或多种。原料可以是含有一种或多种，也可以是这几种材料的组合。所述原料可以是一次性加入，也可以是分多次，或连续加入。同时为了有更好的粘结效果，在机械球磨混和均匀后在加入粘接剂时，在粘结剂中还可以添加粘接剂重量比0-10.0％的添加剂如：Si氧化物或硅酸盐等(棒材中Si的含量为硅总含量)，以及0-5.0％的助剂如：甘油或钛酸酯等。

实施例1

以Al、C单质粉末、Ni、Si的合金或单质粉末、Si氧化物或其它盐类为原料，与BN按照一定比例，其中优选C，3.0％；Al，3.0％；Si，8.0％；BN，8.0％；其余为Ni。将上述各种原料，进行机械球磨混合，均匀后加入磷酸二氢铝，也可加水再进行混合(或同时进行球磨混合)，粘结剂比例为粉末的25.0％，所述比例均为重量比。在液压机上进行压制(25MPa)，成形后置于托盘中，由程序控温仪来实现升温速度的自动控制。当升温至100～200℃，保持恒温一段时间(3小时)，粘结剂中的成分挥发，使棒材致密化。附图1为加工过程的流程图。

如果用硅酸盐或有机物取代磷酸二氢铝作为粘结剂，也可以取得同样效果。

用本发明制品进行火焰喷涂，采用一定氧气压力和流量、乙炔压力和流量、压缩空气的压力和流量、送料速度，在高温合金上进行喷涂，制备的涂层表面无裂纹，性能测试表明，涂层的硬度在7～21HB范围内，并具有良好与基体结合强度和可磨耗性能。600℃热处理后涂层的硬度无明显变化，说明此温度下的可磨耗性能良好。

实施例2

以Ni、Cu单质粉末或合金、C单质粉末Si氧化物或其它盐类、BN为原料，按照一定比例机械球磨混合，其中C，8.0％；Cu，20％；BN，7.0％；Si，4.5％，其余为Ni。混和均匀后加入硅酸盐水溶液作为粘结剂，在液压机上进行压制，成形后烘干。得到棒材。

如果用磷酸盐或有机物取代硅酸盐作为粘结剂，也可以取得同样效果。

火焰喷涂封严涂层，在一定的喷涂参数条件下，高温合金为基材，实验表明，涂层的硬度为8～14HB，涂层表面无裂纹产生，并且具有较好可磨耗性能、抗盐雾腐蚀性能，较高的抗拉伸强度。200℃热处理100h涂层硬度不大于11.0HB，此温度条件下可以作为封严涂层使用。

实施例3

以Ni、C、BN、Si氧化物或盐、CuO、CdO为原料，按照一定配比机械球磨混合，均匀加入粘结剂聚乙烯吡咯烷酮(PVA)乙醇溶液，液压机压制，成形后烘干制备热喷涂封严涂层用棒材。

如果用无机粘结剂或其他有机物取代聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液作为粘结剂，可取得同样效果。

火焰喷涂制备封严涂层，在一定的喷涂参数条件下，涂层硬度为5/62.5/30实验条件下的压痕直径为2.45～3.30mm范围内，并且750℃热处理100h后涂层的硬度无明显变化。该种材料可以在700℃下作为封严涂层使用。

Claims (10)

1.一种热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材，其特征在于所述棒材呈柱状，其中含有原料Ni、Si、Cu、Al、Cd、BN、C，以及粘结剂，其中：粘结剂重量占原料重量的5.0-25.0％；所述原料中按重量：BN为2.0～8.0％；C为1.0～10.0％；Si为1.0～10.0％；Cu为5.0～20％；Cd为0～3.0％；Al为0～3.0％；Ni为余量。

2.根据权利要求1所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材，其特征在于所述粘结剂是无机物或是有机物。

3.根据权利要求2所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材，其特征在于所述无机物是磷酸盐或硅酸盐中的一种或二者的混合物。

4.根据权利要求2所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材，其特征在于所述有机物是PVA、PVP、PA、PE或环氧树脂中的一种或两种以上的混合物。

5.一种权利要求1所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材的制备方法，其特征在于所述方法包括：室温下将原料投入，进行机械球磨混合，在球磨的同时加入为原料重量5.0-25.0％的粘结剂，继续进行球磨捏合；然后在10-60MPa压力下压制成形；升温至100～200℃，再保持1-5小时烘干，制得产品。

6.根据权利要求5所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材的制备方法，其特征在于所述原料以单质粉末，合金或化合物方式加入。

7.根据权利要求5或6所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材的制备方法，其特征在于所述原料为一次性加入，或分多次，或连续加入。

8.根据权利要求5所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材的制备方法，其特征在于所述机械球磨混和均匀后在加入粘结剂时，在粘结剂中加入粘结剂重量比0-10.0％的添加剂和0-5.0％的助剂。

9.根据权利要求8所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材的制备方法，其特征在于所述添加剂是：Si氧化物或硅酸盐。

10.根据权利要求8所述的热喷涂可磨耗封严涂层用多组元棒材的制备方法，其特征在于所述助剂是：甘油或钛酸酯。

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