CN102021577B - 一种箔片空气轴承用高温固体润滑涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温固体润滑涂层领域，具体为一种箔片空气轴承用高温固体润滑涂层及其制备方法，解决从室温到650℃下箔片空气轴承中箔片的磨损问题。该涂层为CuAl合金，按重量百分比计，其化学组成为：Cu 90-98％，Al 2-10％。该涂层由真空电弧离子镀技术制备，其工艺参数为：弧电压20-30V，弧电流75-95A，导向电压12-18V，导向电流4-7A，聚焦电压9-13V，聚焦电流4-8A；首先，在偏压500-600V下，时间1.5-3.5min；然后，在偏压200-300V下，时间3-4h；最终获得高温固体润滑涂层。本发明高温固体润滑涂层，一方面可以提高轴上用高温固体自润滑涂层的摩擦磨损性能，另一方面可避免或减小箔片的磨损，从而保证箔片空气轴承在高温高速环境下稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及高温固体润滑涂层领域，具体为一种箔片空气轴承用高温固体润滑涂层及其制备方法。
背景技术
箔片空气轴承以弹性箔片作为支承元件，以周围空气为润滑剂，具有很强的自适应性和高的稳定性，且工作时不受温度和速度的限制，可应用到高温(650℃)高速(100,000r/min)透平机械中。但是，在起动和停车阶段由于速度低，箔片和轴间不足以形成工作气膜，二者间产生滑动接触，引起箔片和轴严重磨损。目前，为避免或减小箔片和轴的磨损，在轴上采用高温固体自润滑涂层，这就需要选择一种涂层以与高温固体自润滑涂层构成摩擦副，一方面可以提高轴上用高温固体自润滑涂层的摩擦磨损性能，另一方面可避免或减小箔片的磨损，从而保证箔片空气轴承在高温高速环境下稳定运行。因此，提供一种箔片空气轴承上箔片用高温固体润滑涂层具有重要的工业应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种箔片空气轴承用高温固体润滑涂层及其制备方法，来解决从室温到650℃下箔片空气轴承中箔片的磨损问题。
本发明的技术方案如下：
一种高温固体润滑涂层，该涂层为CuAl合金，其化学组成如表1所示。
表1CuAl合金的化学成分
| 元素 | Cu | Al |
| 含量(wt％) | 90-98 | 2-10 |
所述高温固体润滑涂层的制备方法，该涂层由真空电弧离子镀技术制备，制备工艺如表2所示。
表2CuAl涂层制备工艺
| 工艺参数 | 偏压/V | 弧电压/V | 弧电流/A | 导向电压/V | 导向电流/A | 聚焦电压/V | 聚焦电流/A |
| 参数值 | 500-600V，1.5-3.5min；200-300V，3-4h； | 20-30 | 75-95 | 12-18 | 4-7 | 9-13 | 4-8 |
本发明中，所获得高温固体润滑涂层的厚度范围为15-25μm；结合强度范围为60-75MPa；表面粗糙度范围为Ra1.5-2.5μm；涂层与轴上用高温固体自润滑涂层间摩擦系数为0.10-0.50；润滑涂层从室温到650℃的磨损率范围为1.30-8.00×10-5mm3/N·m。
本发明的有益效果是：
1、本发明高温固体润滑涂层，一方面可以提高轴上用高温固体自润滑涂层的摩擦磨损性能，另一方面可避免或减小箔片的磨损，从而保证箔片空气轴承在高温高速环境下稳定运行。
2、本发明可以作为高温固体自润滑涂层的对磨涂层，具有重要的工业应用价值。
具体实施方式：
本发明高温固体润滑涂层的制备过程如下：
步骤1：熔炼CuAl合金锭。
步骤2：采用化学分析法对CuAl合金进行化学成分分析。
步骤3：加工真空电弧离子镀用CuAl合金靶材。
步骤4：采用多功能复合镀膜机制备CuAl薄膜。
步骤5：采用金相显微镜对步骤4制备的CuAl薄膜进行厚度测量。
步骤6：采用拉伸试验机对步骤4制备的CuAl薄膜进行结合强度测试。
步骤7：采用粗糙度测试仪对步骤4获得的CuAl薄膜进行粗糙度测量。
步骤8：采用高温销盘摩擦磨损试验机对步骤4制备的高温固体润滑涂层进行摩擦磨损性能测试。
下面通过实施例进一步详述本发明。
实施例1：
本实施例中，高温固体润滑涂层的制备过程如下：
步骤1：熔炼CuAl合金锭。
步骤2：采用化学分析法对CuAl合金进行化学成分分析，分析结果如表3所示。
表3CuAl合金化学成分分析结果
| 元素 | Cu | Al |
| 含量(wt％) | 94.5 | 5.5 |
步骤3：加工真空电弧离子镀用CuAl合金靶材。
步骤4：采用多功能复合镀膜机制备CuAl薄膜。制备工艺如表4所示。
表4CuAl涂层制备工艺
| 工艺参数 | 偏压/V | 弧电压/V | 弧电流/A | 导向电压/V | 导向电流/A | 聚焦电压/V | 聚焦电流/A |
| 参数值 | 500V，1.5min；300V，3h； | 20 | 85 | 13 | 5 | 9 | 6 |
步骤5：采用金相显微镜对步骤4制备的CuAl薄膜进行厚度测量，薄膜厚度为18.20μm。
步骤6：采用拉伸试验机对步骤4制备的CuAl薄膜进行结合强度测试，薄膜结合强度为73MPa。
步骤7：采用粗糙度测试仪对步骤4获得的CuAl薄膜进行粗糙度测量，结果薄膜表面粗糙度为1.60μm。
步骤8：采用高温销盘摩擦磨损试验机对步骤4制备的高温固体润滑涂层进行摩擦磨损性能测试。结果如表5所示。
表5摩擦磨损结果
| 试验温度/℃ | 摩擦系数 | 本发明涂层磨损率/×10-5mm3·N-1·m-1 |
| 20 | 0.11±0.02 | 1.349 |
| 200 | 0.26±0.04 | 2.352 |
| 350 | 0.35±0.03 | 1.740 |
| 500 | 0.41±0.04 | 7.997 |
| 650 | 0.32±0.02 | 3.092 |
实施例2：
本实施例中，高温固体润滑涂层的制备过程如下：
步骤1：熔炼CuAl合金锭。
步骤2：采用化学分析法对CuAl合金进行化学成分分析。分析结果如表6所示。
表6CuAl合金化学成分分析结果
| 元素 | Cu | Al |
| 含量(wt％) | 93.7 | 6.3 |
步骤3：加工真空电弧离子镀用CuAl合金靶材。
步骤4：采用多功能复合镀膜机制备CuAl薄膜，制备工艺如表7所示。
表7CuAl涂层制备工艺
| 工艺参数 | 偏压/V | 弧电压/V | 弧电流/A | 导向电压/V | 导向电流/A | 聚焦电压/V | 聚焦电流/A |
| 参数值 | 600V，2min；200V，3.5h； | 24 | 85 | 13 | 6 | 11 | 7 |
步骤5：采用金相显微镜对步骤4制备的CuAl薄膜进行厚度测量，薄膜厚度为20.60μm。
步骤6：采用拉伸试验机对步骤4制备的CuAl薄膜进行结合强度测试，薄膜结合强度为71MPa。
步骤7：采用粗糙度测试仪对步骤4获得的CuAl薄膜进行粗糙度测量，薄膜表面粗糙度为1.73μm。
步骤8：采用高温销盘摩擦磨损试验机对步骤4制备的高温固体润滑涂层进行摩擦磨损性能测试。结果如表8所示。
表8摩擦磨损结果
| 试验温度/℃ | 摩擦系数 | 本发明涂层磨损率/×10-5mm3·N-1·m-1 |
| 20 | 0.11±0.02 | 1.429 |
| 200 | 0.27±0.04 | 2.156 |
| 350 | 0.37±0.04 | 1.695 |
| 500 | 0.42±0.03 | 7.692 |
| 650 | 0.32±0.02 | 3.272 |
实施例3：
本实施例中，高温固体自润滑涂层的制备过程如下：
步骤1：熔炼CuAl合金锭。
步骤2：采用化学分析法对CuAl合金进行化学成分分析。分析结果如表9所示。
表9CuAl合金化学成分分析结果
| 元素 | Cu | Al |
| 含量(wt％) | 97.4 | 2.6 |
步骤3：加工真空电弧离子镀用CuAl合金靶材。
步骤4：采用多功能复合镀膜机制备CuAl薄膜，制备工艺如表10所示。
表10CuAl涂层制备工艺
| 工艺参数 | 偏压/V | 弧电压/V | 弧电流/A | 导向电压/V | 导向电流/A | 聚焦电压/V | 聚焦电流/A |
| 参数值 | 550V，3min；240V，4h； | 28 | 75 | 15 | 4 | 13 | 5 |
步骤5：采用金相显微镜对步骤4制备的CuAl薄膜进行厚度测量，薄膜厚度为23.2μm。
步骤6：采用拉伸试验机对步骤4制备的CuAl薄膜进行结合强度测试，薄膜结合强度为70MPa。
步骤7：采用粗糙度测试仪对步骤4获得的CuAl薄膜进行粗糙度测量，薄膜表面粗糙度为1.69μm。
步骤8：采用高温销盘摩擦磨损试验机对步骤4制备的高温固体润滑涂层进行摩擦磨损性能测试。结果如表11所示。
表11摩擦磨损结果
| 试验温度/℃ | 摩擦系数 | 本发明涂层磨损率/×10-5mm3·N-1·m-1 |
| 20 | 0.12±0.03 | 1.329 |
| 200 | 0.21±0.03 | 2.413 |
| 350 | 0.36±0.04 | 1.810 |
| 500 | 0.42±0.03 | 7.765 |
| 650 | 0.30±0.03 | 3.136 |
结果表明，本发明高温固体润滑涂层，一方面可以提高轴上用高温固体自润滑涂层的摩擦磨损性能，另一方面可避免或减小箔片的磨损，从而保证箔片空气轴承在高温高速环境下稳定运行。
Claims (5)
1.一种箔片空气轴承用高温固体润滑涂层的制备方法，其特征在于，该涂层为CuAl合金，按重量百分比计，其化学组成为：Cu90-98％，Al2-10％；该涂层由真空电弧离子镀技术制备，其工艺参数为：
弧电压20-30V，弧电流75-95A，导向电压12-18V，导向电流4-7A，聚焦电压9-13V，聚焦电流4-8A；
首先，在偏压-500～-600V下，时间1.5-3.5min；然后，在偏压-200～-300V下，时间3-4h，最终获得高温固体润滑涂层。
2.按照权利要求1所述的箔片空气轴承用高温固体润滑涂层的制备方法，其特征在于，所获得涂层的厚度范围为15-25μm。
3.按照权利要求1所述的箔片空气轴承用高温固体润滑涂层的制备方法，其特征在于，所获得涂层的结合强度范围为60-75MPa。
4.按照权利要求1所述的箔片空气轴承用高温固体润滑涂层的制备方法，其特征在于，所获得涂层的表面粗糙度范围为Ra1.5-2.5μm。
5.按照权利要求1所述的箔片空气轴承用高温固体润滑涂层的制备方法，其特征在于，所获得涂层与轴上用高温固体自润滑涂层间摩擦系数为0.10-0.50，所述箔片空气轴承用高温固体润滑涂层从室温到650℃的磨损率范围为1.30-8.00×10-5mm3/N·m。
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