CN102458724A - 在基材上形成固态润滑剂涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

方法，包括将涂层前体材料施加在基材上，该涂层前体材料包含平均颗粒直径为约10nm～约10μm的粉末，其包含氟化物低共熔混合物、能在约535℃～约800℃氧化的金属、一种或多种选自金属氧化物、玻璃、碳化物和氮化物的材料，以及任选地选自银、钯、铂、金、铑及其合金的贵金属，使该涂层经受烧结热处理，其在惰性气氛或还原气氛中发生在第一温度以烧结前体材料的所述金属，和使涂层暴露于氧化热处理，该氧化热处理在低于第一温度的第二温度在氧化气氛中实施，从而氧化涂层前体材料中的部分所述金属。

Description

在基材上形成固态润滑剂涂层的方法
技术领域
本发明的主题一般地涉及涂层，更具体地涉及在基材上形成固态润滑剂(solid lubricant)涂层的方法。
背景技术
涡轮增压器通常被用于增强设备的操作性。例如，就涡轮发动机(turbine engines)的情况而言，可采用涡轮增压器来提高进入燃烧室的进入空气流的加压或使其增压。在此种情况下，来自发动机的热废气可经引导进入其内装有涡轮(turbine)的涡轮增压器涡轮壳内。废气流冲击涡轮使其旋转。由于涡轮安装在轴的一端(该轴的相对端上装有离心式空气压缩机(radial air compressor))，所以涡轮的旋转动作也导致空气压缩机旋转。空气压缩机的旋转动作导致，进入空气在发动机燃烧室内与燃料混合并燃烧之前进入压缩机壳，并被加压或增压。
为降低涡轮增压器或其它涡轮机械之间的摩擦并延长其使用寿命，可采用箔片轴承(foil bearings)来支承涡轮发动机、涡轮增压器等的旋转部件。一般而言，箔片轴承包括安装到旋转部件的轴颈(journal)以及设置在轴颈周围的圆筒形顶层箔片(top foil)。轴颈和顶层箔片构造成使得，当旋转部件以最佳操作速度旋转时，箔片与轴颈彼此分开从而形成空气隙。随着箔片与轴颈之间空气隙的扩大，加压的空气被吸入以起到载荷支承体的作用并充当旋转部件及围绕的静止部件的润滑剂。
当轴颈与顶层箔片之间没有加压空气时，这两个部件将变得彼此接触。于是，为防止所述部件过早磨损，一个或多个所述部件可包括在其上的固态润滑剂涂层。一些公知的固态润滑剂包括金属氧化物，例如，氧化铬、氧化镍、氧化钴、钛氧化物，或氧化物掺混物，或其混合物。其它固态润滑剂可包括：与金属氧化物粘合的金属，其然后与氟化物掺混。
虽然上述固态润滑剂提供摩擦部件之间优异的润滑作用并且在升高的温度(例如，高于480℃的温度)是化学稳定的，但它们仍可进行改进。例如，由于上述固态润滑剂通常是被等离子-喷涂到部件上，所以薄部件(例如，厚度小于约0.01 cm的部件，例如，箔片轴承系统的箔片)可能在等离子喷涂过程期间变得扭曲。因此，固态润滑剂的应用可能局限于较厚部件。在箔片轴承系统的情况下，较厚的部件可包含箔片轴承的运动件(例如，轴颈或推力轴承滑道(thrust runner))，并且磨损可发生在轴颈或推力轴承滑道上，这可能在箔片轴承系统中造成不平衡。例如，当箔片轴承系统在正常操作期间承压并经受高间歇载荷时，箔片部件上的涂层可能接触到轴颈。然而，因为箔片轴承的运动件可能不能被“broken in”(例如，在箔片轴承运动件表面上的小变形被磨掉的地方)，该运动件可能在箔片轴承中持续造成不平衡，这随着时间的推移可能降低箔片轴承的承载能力和稳定性。例如，在某些情况下，“高点”可能存在于箔片轴承的静止件(例如，配合箔片)上，而箔片轴承系统的运动件(例如，轴颈)上的涂层可能在整个圆周发生磨损。结果，箔片轴承系统上的磨损可能变得被放大，并且箔片轴承系统的表面光洁度(surface finish)可能不希望地增加，从而降低承载能力和/或缩短寿命。
在另一个例子中，等离子喷涂的固态润滑剂涂层可具有相对高的孔隙度和大粒度，这可能使涂层难以抛光至希望的表面光洁度，这进而可能限制箔片轴承的承载能力。另外，传统固态润滑剂涂层可能局限于用于低于约300℃的温度环境，因此如果该箔片轴承将在高于300℃的温度使用，则可能需要强烈冷却。然而，即便部件被恰当地进行了冷却，操作期间焦化沉积物依然可能累积并可能干扰箔片轴承的操作和/或缩短其寿命。
因此，理想的是具有可以施加到薄部件上并可以抛光至小于约0.2 μm(8微英寸)的表面光洁度的固态润滑剂。另外，希望该固态润滑剂和施加该固态润滑剂的方法应用起来相对简单且低廉。此外，本发明主题的其它理想特征和特点，从本发明主题的下述详细描述和所附权利要求并结合附图及本发明主题的该背景将变得显而易见。
发明内容
提供了在基材上形成固态润滑剂涂层的方法。
在一个实施方案中，仅作为例子，方法包括将涂层前体材料施加在基材上，涂层前体材料包含平均颗粒直径为约10 nm～约10 μm的粉末，其中前体材料包含氟化物低共熔混合物(eutectic)、能在约535℃～约800℃氧化的金属、一种或多种选自金属氧化物、玻璃、碳化物和氮化物的材料，以及任选地一种或多种选自银、钯、铂、金和铑的贵金属(precious metal)，使基材上的前体材料经受烧结热处理以形成中间涂层，该烧结热处理在惰性气氛或还原气氛中在第一温度发生，从而烧结前体材料的所述金属，以及将中间涂层暴露于氧化热处理，该氧化热处理在低于第一温度的第二温度在氧化气氛中实施，从而氧化中间涂层中的部分所述金属。
在另一个实施方案中，仅作为例子，方法包括将涂层前体材料施加在基材上，涂层前体材料包含平均颗粒直径为约10 nm～约10 μm的粉末，其中涂层前体材料包含氟化物低共熔混合物、能在约535℃～约800℃氧化的金属、一种或多种选自银、钯、铂、金和铑的贵金属以及一种或多种选自金属氧化物、玻璃、碳化物和氮化物的材料，使基材上的前体材料经受烧结热处理以形成第一中间涂层，该烧结热处理在惰性气氛或还原气氛中在约900℃～约1000℃的第一温度发生，在第一中间涂层上施加中间层(intervening layer)并使中间层在上面的第一中间涂层经受烧结热处理以形成第二中间涂层，该烧结热处理在惰性或还原气氛中在第二温度发生，该中间层包含第二氟化物低共熔混合物，使第二中间涂层暴露于氧化热处理以形成第三中间涂层，该氧化热处理在约535℃～约800℃的第三温度实施，以使第二中间涂层材料的部分所述金属氧化，以形成固态润滑剂涂层，以及将固态润滑剂涂层抛光至小于约0.20 μm (8 微英寸)的表面光洁度。
附图说明
下面将结合以下附图描述本发明的主题，图中相同的数字代表相同的要素，
图1是根据一个实施方案部件的一部分的横断面视图；和
图2是根据一个实施方案在基材上形成涂层的方法的流程图。
具体实施方式
下面的详细描述本质上仅仅是示例性的，不意在限制本发明主题或本发明主题的应用及用途。另外，不拟受前面的背景技术或下面的详细描述中提出的任何理论的限制。
图1是，按照一个实施方案，部件100的一部分的横断面视图。在一个实施方案中，部件100可包含或可被涂以一种或多种能在宽温度范围内表现出润滑特性的固态润滑剂材料。在一个例子中，部件100可以能在低温环境(例如，小于约-50℃的温度)中和高温环境(例如，在高于约482℃的温度)中操作的同时表现出润滑特性。另外，通过包括按如下所述方式配制并施加的涂层，部件100可以是相对薄壁的(例如，厚度为约0.01 cm或更小)或者可以是相对厚壁的。包括固态润滑剂材料的部件100的表面可抛光至约0.20 μm (8 微英寸)或更低的表面光洁度。
按照一个实施方案，部件100可作为旋转装配体如箔片轴承、轴颈轴承、滚柱轴承等的零件或者作为静止装配体的零件被包括在其中。在一个例子中，部件100可以是轴承(bearing)的旋转部件，例如轴颈或推力轴承滑道，或者可以是空气轴承的静止部件，例如箔片。在另一个实施方案中，部件100可以是旋转或静止涡轮叶片、翼片、叶轮、管罩(shroud)、壳、支柱(strut)或其它部件。在任何情况中，部件100可包括具有涂层104的基材102。基材102可由金属，例如镍基合金如Inconel X-750，钴基合金等或者典型用于机器部件的其它材料制成。虽然图1的基材102部分显示为具有矩形横断面，但在其它实施方案中基材可具有不同的几何横断面形状。
涂层104设置在基材102上，并且虽然涂层104显示为直接设置在基材102上，但是在其它实施方案中，作为涂层104的一部分可以包括一个或多个中间层(未示出)。例如，可包括包含氟化物低共熔混合物的中间层作为涂层104的一部分。在二者中任何一种情况中，涂层104，在一个实施方案中，可具有约0.0001 厘米(cm)～约0.01 cm的厚度。在其它实施方案中，涂层104可以比上述范围更厚或更薄。
按照一个实施方案，涂层104具有这样的配方，其可包括一种或多种氟化物低共熔混合物、一种或多种金属以及一种或多种能充当低温润滑剂的材料。在另一个实施方案中，涂层104具有这样的配方，其可包括一种或多种氟化物低共熔混合物、一种或多种金属、一种或多种能充当温润滑剂的材料以及一种或多种能充当高温润滑剂的材料。在二者中任何一个实施方案中，涂层104可以不含贵金属。为改进涂层104的烧结和致密化以及改善涂层104的均质性，所述金属、低温润滑剂材料和如果包括的话，高温润滑剂材料，可具有落入约10 纳米( nm)～约10微米( μm)范围的平均颗粒直径。在一个优选的实施方案中，平均粒度可为约20 nm～约3000 nm。在其它实施方案中，粒度可大于或小于以上两种范围中任何一种。
所述氟化物低共熔混合物选择为，在一个实施方案中，使软化点温度低于涂层形成过程期间采用的最高加工温度。这里所使用的术语“软化点”可定义为无机物(inorganic)变为半流体的温度。例如，在其中最高加工温度为约1000℃的涂层形成过程中，氟化物低共熔混合物可选择为具有低于约1000℃的软化点温度。在另一个实施方案中，软化点温度可至少比最高加工温度低约50℃。这样，氟化物低共熔混合物可软化或熔化以在颗粒之间流动并实质上将涂层104的其它成分粘结在一起，或可以充当助熔剂(flux)以将氧化物从单独的金属颗粒除去从而促进金属-金属扩散。结果，氟化物低共熔混合物可降低涂层104的孔隙度。合适的氟化物低共熔混合物包括但不限于，氟化镍/氟化钴、氟化钡/氟化镍、氟化钴/氟化钡、氟化钡/氧化硼，或者氟化钡、氟化钴、氟化镍与氧化硼的任意组合。包含一种或多种上述氟化物低共熔混合物，在一个实施方案中，可改善涂层104的润滑性能。另外，当涂层104被用于置于操作温度高于200℃，在某些情况中，温度高于约650℃的操作环境中的部件上时，涂层104可表现出高温固态润滑剂性能。将理解的是，包含氟化物低共熔混合物可以使得，在某些实施方案中，涂层104在低于535℃的温度表现出润滑剂性能。
涂层104中包括的金属，在一个实施方案中，被选择为，当在约535 ℃～约800℃的温度暴露于空气时，具有在氟化物存在下形成润滑(lubricious)氧化物的能力。按照另一个实施方案，所述金属还选择为在低于该金属的氧化的形式将熔化或烧结的温度的温度烧结。在一个实施方案中，熔点为约1452℃的镍可作为金属用于涂层104中，并可在氧化后具有更高的熔点。具体地说，氧化镍可具有约1984℃的熔融温度。在另一个实施方案中，可采用铬作为涂层104中的金属。铬，具有约1615℃的熔点，当氧化形成氧化铬时可具有约2435℃的高熔融温度。在又一个实施方案中，可采用钴。钴具有约1465℃的熔点，并在氧化后可形成氧化钴。氧化钴可具有约1935℃的熔点。在替代性实施方案中，可采用其它金属。在任何情况中，通过包含具有上述特征的金属，在涂层104的表面上存在的金属可在涂层104形成期间氧化，生成金属氧化物或额外的金属氧化物。结果，涂层104的表面可具有比涂层104内部更高的金属氧化物浓度，这可以是有利的，因为所述金属氧化物可给涂层104提供额外的高温固态润滑剂性能。也发生三维氧化，以允许涂层104在下面提到的氧化步骤之后被抛光并贯穿涂层本体(bulk)改善润滑性能。该三维氧化防止在下面的抛光步骤期间除去涂层104上的大部分氧化物。而且，包含上述金属可产生比传统方法形成的等离子喷涂涂层更致密的涂层。产生的涂层104包括在后面热处理步骤期间允许氧气渗透或扩散穿过涂层104的表面和本体的微孔。结果，所述微孔充满氧化物，并且涂层的表面光洁度在后面的热处理步骤期间可以增加。
按照另一个实施方案，多于一种金属可包含在涂层104中。例如，可包含2种金属。在一个实施方案中，可采用镍和铬。在其它实施方案中，可使用镍和钴。在又其它实施方案中，可包括其它金属组合。例如，可包括镍、钴、铬或其它金属的任意组合，例如，用镍、钴或铬预合金化的(pre-alloyed)钼或钨。在又其它实施方案中，多于2种金属可包含在涂层104中。如果包含多于一种金属，则所述金属可以，在一个实施方案中，以任何优化耐腐蚀性和/或在氟化物存在下的氧化的比例包含在内。在另一个实施方案中，该比例可选择来优化涂层104的摩擦学特性(例如，摩擦和/或磨损)。在这点上，选择可取决于表面光洁度如何随着在空气中相对短(例如，30 min.)的热暴露而恶化。例如，可选择该比例使得表面光洁度在暴露于约648℃(1200°F)的温度后保持低于约0.20 μm (8 微英寸)，从而涂层104可能够用于高温应用。在一个例子中，所述金属可按照3:1的比例存在。在另一例子中，所述金属可以以99:1～1:99的比例存在。按照一个使用镍和钴的实施方案，可采用75:25～85:15的比例。
如上面提到的那样，涂层104还可包括一种或多种能充当低温固态润滑剂的材料。按照一个实施方案，低温固态润滑剂材料可选择为在低于约200℃的温度能降低互相摩擦接触的2个表面间的摩擦。在另一个实施方案中，低温固态润滑剂材料可选择为在低于约300℃的温度能降低互相摩擦接触的2个表面之间的摩擦。在另一个实施方案中，低温固态润滑剂材料进一步可选择为当暴露于高温操作环境，例如，高于535℃，在某些情况下高于约650℃环境的那些操作温度时耐氧化。例如，几种贵金属可合适地用作所述一种或多种低温固态润滑剂材料。在一个实施方案中，贵金属可包括但不限于，铂、钯、金、银、铑或其它贵金属，或其合金/混合物。在其它实施方案中，涂层104可不包括贵金属，而可包括充当低温固态润滑剂的其它材料。在又其它实施方案中，可替代性地使用其它材料，例如铜。
在包括一种或多种能充当高温固态润滑剂的材料的一个实施方案中，所述材料可选择为在高于约200℃的温度能降低彼此摩擦接触的2个表面间的摩擦。在另一个实施方案中，所述材料可选择为在高于约300℃的温度能降低彼此摩擦接触的2个表面间的摩擦。按照一个实施方案，高温固态润滑剂可进一步选择为具有向固态膜润滑剂提供耐磨性能的能力。例如，高温固态润滑剂可以是金属氧化物、玻璃、氮化物或碳化物。在一个实施方案中，该金属氧化物可基本上类似于或可等同于涂层形成期间金属氧化时所形成的金属氧化物。在其它实施方案中，金属氧化物可包括氧化铬(例如 Cr2O3), 氧化镍, 氧化铝 (例如 Al2O3), 氧化钛 (例如 TiO2), 氧化铈, 氧化钴或其它金属氧化物。在另一个实施方案中，氮化物或碳化物包括但不限于，具有化学式Mn+1AXn的那些(以下称为 “MAX 材料”), 其中M是选自第IIIB, IVB, VB和VIB族的至少一种前过渡金属(early transition metal), A 是选自第IIIA, IVA, VA, VIA和VIIA族的至少一种元素, X是碳和氮之一或是这二者，并且 n 是 1－3的整数。MAX材料的例子包括但不限于，选自Cr2AlC, V2AlC, Ti2AlC, Ti3AlC2, Ti4AlN3, Ta2AlC, Ta4AlC3及Ti2AlN 的铝基化合物。合适的材料的另一个例子包括但不限于，碳化铬铝(chromium aluminum carbide, Cr2AlC)。在又一个实施方案中，高温固态润滑剂可包括玻璃。例如，如上面提到的那样，可包括氧化硼(B2O3) ，其中氧化硼在涂层104中以BaF2/B2O3低共熔混合物的形式使用。在其它实施方案中，氮化物和碳化物包括但不限于，六方氮化硼、碳化钨、碳化钨/钴纳米粉末(例如，85%碳化钨和15%钴作为粘合剂)或者铬、镍和钴或其它材料的碳化物。
为在基材102上形成涂层104，可采用图2中所示方法200。在一个实施方案中，方法200包括准备待涂覆基材的表面，步骤202。在一个例子中，表面准备可包括化学方法。例如，可化学蚀刻基材表面以提供微粗糙化的表面，适于向其结合涂覆的颗粒。在一个实施方案中，基材表面可通过向其施加化学蚀刻剂来化学蚀刻。合适的化学腐蚀剂包括但不限于，氯化铁溶液(例如，40 wt%氯化铁水溶液)以及稀无机酸。在另一个例子中，表面准备可包括将基材表面氧化，以在其上形成氧化物膜。在一个实施方案中，基材表面可通过在空气存在下暴露于热量而被氧化。例如，可将基材和空气加热至约500℃～约1000℃的温度或任何其它适合促进氧化的温度。在又另一个例子中，可清洁基材表面。在一个实施方案中，基材表面用去离子水冲洗以除去任何痕量化学蚀刻剂，若使用的话，或除去灰尘或其它不希望的颗粒。
步骤202之前、以后或基本上同时，获得涂层前体材料，步骤204。在一个实施方案中，涂层前体材料包括上面提到的成分，并包含至少一种或多种所述氟化物低共熔混合物、一种或多种所述金属，以及一种或多种所述低温固态润滑剂。在另一个实施方案中，涂层前体材料还包括一种或多种所述高温固态润滑剂。在一个实施方案中，所述成分的一种或多种是通过研磨、粉碎或以其它方式将材料转变为细粉末制备的。在一个实施方案中，细粉末可具有约10 nm～约10 μm的颗粒直径。在某些实施方案中，所述成分的一种或多种可具有较大粒度。例如，氟化物低共熔混合物可具有约0.1 μm～约10.0 μm的平均颗粒直径。在其它实施方案中，平均颗粒直径可大于或小于上面提到的范围中的那些。
在适当地获得和/或制备所述成分之后，将它们掺混在一起形成混合物。用于涂层前体材料的每种成分的量取决于所得涂层表现出的期望的性能。在一个实施方案中，所述涂层前体可包括，按重量计，约5%～约80%一种或多种所述氟化物低共熔混合物、约10%～约70%一种或多种所述金属，以及约0%～约20%一种或多种所述低温固态润滑剂，以及约0%～约40%一种或多种选自氧化物、氮化物和或碳化物的高温润滑剂。在另一个实施方案中，所述氟化物低共熔混合物为约30%～约70%，一种或多种所述金属为约20%～约60%，和一种或多种所述低温固态润滑剂为约4%～约12%，和一种或多种选自氧化物、氮化物和或碳化物的高温润滑剂为约5%～约18%。在其它实施方案中，每种成分的重量百分数可以多于或少于上面提到的范围。
接着，可将涂层前体材料施加到基材上，步骤206。在一个实施方案中，涂层前体材料可与液体混合以形成糊。该液体可以是去离子水、醇或其它合适的溶剂。在任何情况中，在一个实施方案中，糊可具有约50,000～300,000 厘泊的粘度。在另一个实施方案中，糊的粘度可为约100,000～300,000 厘泊，但在其它实施方案中，可为约100,000～250,000 厘泊。在又一实施方案中，可在糊中加入粘合剂。例如，合适的粘合剂包括有机粘合剂如乙基纤维素、硝基纤维素以及丙烯酸类(acrylic)。
然后，可将糊施加到基材上。在一个例子中，糊可通过厚膜丝网印刷方法施加到基材上。在一个实施方案中，将筛网放在基材待涂覆的部分上，糊被穿过网孔压在基材上。任何由网孔保留在基材上的痕迹可通过随后的抛光过程除去。在另一个实施方案中，糊可被形成为带并且可将该带转移到基材上。在其它实施方案中，可采用替代性的施加方法。例如，糊可涂绘(painted)或刷到基材上，或者糊可喷涂、印刷、流延或刮涂到基材上。
在所述糊施加到基材上以后，在一个实施方案中，其可被风干。在另一个实施方案中，糊可通过加热至足以从其除去基本上全部液体的干燥温度而进行干燥。在一个实施方案中，干燥温度可低于约200℃。在另一个实施方案中，干燥温度可为约85℃～150℃。在又一个实施方案中，干燥温度可为约95℃～150℃。在又另一个实施方案中，干燥温度可为约100℃～150℃。该干燥温度，在一个实施方案中，可保持约5 min～60 min的时间。
接着，涂层前体材料经受烧结热处理以形成中间涂层，步骤208。在一个实施方案中，烧结热处理可在这样的烧结温度进行，该烧结温度适于使一种或多种氟化物低共熔混合物中的氟化物软化/熔融并流动，从而通过固态扩散和/或充当助熔剂烧结/钎焊(braze)涂层前体材料中的金属。为了烧结涂层前体材料，烧结热处理可在惰性气氛中进行，烧结温度可为约900℃～约1000℃。在一个例子中，惰性气氛可以是氮气气氛、氩气气氛或真空。在另一个例子中，烧结热处理可在还原气氛中进行，例如在氢气气氛或氩气/氢气气氛中。暴露于烧结热处理可持续约2 min～约1.0 h的停留时间(dwell time)。包括升温、停留时间和冷却的烧结热处理的长度可持续约30 min～约3 h或更长。在其它例子中，烧结温度和暴露于烧结热处理的长度可高于或低于上面提到的范围。
在烧结第一层从而形成第一中间涂层之后，可在第一中间涂层上形成任选的中间层，步骤209。在一个实施方案中，所述中间层包含一种或多种氟化物低共熔混合物。该氟化物低共熔混合物，在一个实施方案中，可与包括在涂层前体材料中的氟化物低共熔混合物基本相同。在另一个实施方案中，该氟化物低共熔混合物可以是不同于涂层前体材料中的氟化物低共熔混合物的材料。在任何情况中，该氟化物低共熔混合物可选自上面提到的任何氟化物低共熔混合物，或可包括一种或多种不同的氟化物低共熔混合物。所述中间层可以以类似于施加涂层前体材料的方式施加在第一中间涂层上。按照一个实施方案，所述中间层可施加至约0.0005 cm～约0.0075 cm的厚度。在其它实施方案中，所述中间层可厚于或薄于上面提到的范围。
施加后，在顶部具有所述中间层的第一中间涂层然后经受第二烧结热处理以形成第二中间涂层。该附加的烧结热处理，在一个实施方案中，可在基本上类似于上面描述的烧结热处理的条件下实施。在其它实施方案中，第二烧结热处理可在更高或更低的温度实施，取决于用作所述中间层的所选特定氟化物低共熔混合物。由于包括所述中间层，形成了具有较少孔隙的复合材料，这允许得到的涂层抛光至较低表面光洁度并提供摩擦和耐磨益处。
中间涂层(或者在某些实施方案中，替代性的(alternative)中间涂层)可暴露于氧化热处理，步骤210。该氧化热处理氧化中间涂层中的部分所述金属并在空气或在另一充氧气氛(oxygenated atmosphere)中，在高于所得部件将会暴露于的温度的氧化温度进行。这样，在经涂覆后的基材将提供到其上的所得部件的操作期间，氧化作用被最小化。在某些情况中，氧化热处理步骤可允许中间涂层表现出自润滑性能，并在经受可能高于约427℃，在某些实施方案中至少约648℃的操作温度时保持尺寸性能。在一个例子中，氧化温度可为约535℃～约800℃，且氧化热处理可进行约2 min～约1.0 h的停留时间。包括升温、停留时间和冷却的氧化热处理的长度，在一个实施方案中，可持续约30 min～约3 h或更长。在又其他例子中，氧化温度和暴露于氧化热处理的长度可高于或低于上面提到的范围。例如，在一个采用较长暴露长度的实施方案中，可采用可基本上等于或接近所得部件的操作温度的氧化温度。
为在热处理的中间涂层的轴承操作期间降低空气摩擦和易擦伤性，可在热处理的中间涂层上实施抛光以形成固态润滑剂涂层，步骤212。在一个实施方案中，热加工的和/或氧化的中间涂层的表面被抛光以平面化至少部分涂层材料，从而降低涂层的表面光洁度。在一个实施方案中，抛光可采用研磨膏、纸和/或垫实施。按照一个实施方案，涂层可抛光至小于约0.20 μm(8 微英寸)的相对低的表面光洁度。在其它实施方案中，涂层的表面光洁度可大于或小于上面提到的值。在任何情况中，把表面光洁度降低至希望的光洁度允许所得的部件承载较高载荷。在中间涂层被抛光后，包含在其上的固态润滑剂涂层的基材可被形成为一定形状并嵌入到成品部件中和/或提供到另一较大部件中和/或可提供到发动机、涡轮增压器、涡轮机械等等中，以供使用。例如，在箔片轴承的情况下，经涂覆的基材可被激光切割成要求的形状，然后形成为适当形状的圆筒并组装到发动机轴上去。
在方法200的某些实施方案中，可在步骤208与210之间使用预抛光步骤214。可包括预抛光步骤214以去除可能在步骤208期间形成的熔渣样的层。通过去除熔渣样的层，在步骤208的烧结热处理后可产生更均匀的氧化的涂层。另外，在某些情况中，在步骤210的氧化热处理后涂层可能变得更难以平面化，因为涂层可能变硬，抛光大量的涂层可能是困难的。在任何情况中，预抛光步骤214，在一个实施方案中，可采用研磨膏、纸和/或垫实施。按照一个实施方案，涂层可抛光至小于约0.20 μm(8 微英寸)的表面光洁度。在其它实施方案中，涂层的表面光洁度可大于或小于上面提到的值。
已经提供了简单且价廉的在基材上形成固态润滑剂涂层的方法。通过采用上面提到的方法加工该固态润滑剂涂层，与传统上采用的加工方法和/或温度相比，可实现更高的操作温度，因为所包括的用于固态润滑剂涂层的材料可具有相对于传统材料和/或用传统方法加工的材料得以改进的热稳定性。另外，由于涂层包括由非常细的颗粒(例如，尺寸为约10 nm～约10 μm的颗粒)形成的成分，所以所述成分，特别是所述一种或多种金属，在涂层加工期间可具有较高表面积/体积比并可以更容易氧化，从而形成金属氧化物，这可进一步改进涂层的固态润滑剂性能。结果，与传统固态润滑剂涂层的那些相比，该热处理的涂层可具有改进的摩擦降低性能。
虽然在本发明主题的前述详细描述中已经提供了至少一个示例实施方案，但应当理解，尚存在大量变体。还应当理解，所述一个或多个示例实施方案仅仅是例子，并不意在以任何方式限制本发明主题的范围、适用性或构造。相反，上面的详细描述将给本领域技术人员提供实施本发明主题的示例实施方案的方便的路线图。所理解的是，可对示例实施方案中描述的要素的功能和设置做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求中阐述的本发明主题的范围。

Claims (20)

1.在基材上形成固态润滑剂涂层的方法，该方法包括以下步骤:
在所述基材上施加涂层前体材料，该涂层前体材料包括平均颗粒直径为约10 nm～约10 μm的粉末，其中该涂层前体材料包含:
氟化物低共熔混合物,
能在氟化物存在下在约535℃～约800℃氧化的金属,
一种或多种选自由金属氧化物、玻璃、碳化物和氮化物构成的组的材料，和
任选地，一种或多种选自由银、钯、铂、金、铑及它们的合金组成的组的贵金属;
使在所述基材上的所述涂层前体材料经受烧结热处理以形成第一中间涂层，该烧结热处理在惰性气氛或还原气氛中在第一温度发生；以及
将所述第一中间涂层暴露于氧化热处理，该氧化热处理在氧化气氛中在低于所述第一温度的第二温度实施，从而氧化所述第一中间涂层中的部分所述金属。
2.权利要求1的方法，其中:
该方法还包括用所述涂层前体材料形成糊、浆或漆，并且
在所述基材上施加涂层前体材料的步骤还包括把所述糊、浆或漆施加到所述基材上。
3.权利要求1的方法，其中所述第一温度为约900℃～约1000℃。
4.权利要求3的方法，其中所述第二温度为约535℃～约800℃。
5.权利要求1的方法，还包括在使所述基材经受烧结热处理的步骤之前干燥前体材料的层的步骤。
6.权利要求1的方法，其中所述氟化物低共熔混合物选自由以下构成的组：氟化镍/氟化钴、氟化钡/氟化镍、氟化钴/氟化钡、氟化钡/氧化硼，以及氟化钡、氟化钴、氟化镍和氧化硼中两种或更多种的组合。
7.权利要求1的方法，其中所述涂层前体材料的金属包括选自由以下构成的组的一种或多种材料：铬，钴，镍，与镍、钴或铬预合金化的钼，以及与镍、钴或铬预合金化的钨。
8.权利要求1的方法，其中所述涂层前体材料的金属氧化物或玻璃包括选自由以下构成的组的一种或多种材料：氧化铬(例如 Cr2O3)、氧化镍、氧化铝(例如 Al2O3)、氧化钛(例如 TiO2)、氧化铈、氧化钴和氧化硼。
9.权利要求1的方法，其中所述涂层前体材料的碳化物或氮化物包括选自由以下构成的组的一种或多种材料：至少一种具有化学式Mn+1AXn的化合物，其中M是选自第IIIB, IVB, VB和VIB族的至少一种前过渡金属，A 是选自第IIIA, IVA, VA, VIA和VIIA族的至少一种元素，X是碳和氮之一或是这二者，并且 n 是 1－3的整数，碳化铬铝、氮化硼以及碳化钨。
10.权利要求1的方法，其中在所述基材上施加涂层前体材料的步骤还包括将所述涂层前体材料沉积至约5 μm～约75 μm的厚度。
11.权利要求1的方法，其中使基材上的所述前体材料经受烧结热处理以形成中间涂层的步骤包括使所述基材处于氮气气氛中。
12.权利要求1的方法，还包括，在将所述中间涂层暴露于氧化热处理的步骤之后，将所述涂层抛光至小于约0.20 μm (8 微英寸)的表面光洁度的步骤。
13.权利要求1的方法，其中所述将中间涂层暴露于氧化热处理的步骤还包括将所述中间涂层加热至高于所述基材的预定操作温度的温度。
14.权利要求1的方法，其中:
该方法还包括以下步骤:
在所述第一中间涂层上施加中间层，该中间层包含第二氟化物低共熔混合物，从而产生第二中间涂层；和
使所述第二中间涂层在惰性或还原气氛中在第二温度经受另一热处理，从而形成所述第二中间涂层; 以及
将所述第二中间涂层暴露于氧化热处理的步骤，该氧化热处理在氧化气氛中在低于所述第一和第二温度的第三温度进行，从而氧化前面中间涂层中的部分所述金属。
15.在基材上形成固态润滑剂涂层的方法，该方法包括以下步骤:
在所述基材上施加涂层前体材料，该涂层前体材料包括平均颗粒直径为约10 nm～约10 μm的粉末，其中所述涂层前体材料包含:
              第一氟化物低共熔混合物,
              能在氟化物存在下在约535℃～约800℃氧化的金属,
              一种或多种选自由银、钯、铂、金、铑及其合金构成的组的贵金属, 和
              一种或多种选自由金属氧化物、玻璃、碳化物和氮化物构成的组的材料;
使在基材上的所述涂层前体材料经受烧结热处理以形成第一中间涂层，该烧结热处理在惰性气氛或还原气氛中在约900℃～约1000℃的第一温度发生;
在所述第一中间涂层上施加中间层并实施第二热处理从而形成第二中间涂层，所述第二热处理在惰性或还原气氛中在第二温度发生，所述中间层包含第二氟化物低共熔混合物;
使所述第二中间涂层暴露于氧化热处理，所述氧化热处理在约535℃～约800℃的第三温度进行，从而氧化所述第一中间涂层和第二中间涂层的部分所述金属，以形成所述固态润滑剂涂层; 和
将所述固态润滑剂涂层抛光至小于约0.20 μm (8 微英寸)的表面光洁度。
16.权利要求14的方法，其中所述氟化物低共熔混合物选自由以下构成的组：氟化镍/氟化钴、氟化钡/氟化镍、氟化钴/氟化钡、氟化钡/氧化硼，以及氟化钡、氟化钴、氟化镍和氧化硼中两种或更多种的组合。
17.权利要求14的方法，其中所述涂层前体材料的金属包括选自由以下构成的组的一种或多种材料：铬，钴，镍，与镍、钴或铬预合金化的钼，以及与镍、钴或铬预合金化的钨。
18.权利要求14的方法，其中所述涂层前体材料包括选自由以下构成的组的一种或多种材料：氧化铬(例如 Cr2O3)、氧化镍、氧化铝(例如 Al2O3)、氧化钛(例如 TiO2)、氧化铈、氧化钴和氧化硼。
19.权利要求14的方法，其中所述涂层前体材料的碳化物或氮化物包括选自由以下构成的组的一种或多种材料：至少一种具有化学式Mn+1AXn的化合物，其中M是选自第IIIB, IVB, VB和VIB族的至少一种前过渡金属，A 是选自第IIIA, IVA, VA, VIA和VIIA族的至少一种元素，X是碳和氮之一或是这二者，并且 n 是 1－3的整数，碳化铬铝、氮化硼以及碳化钨。
20.权利要求14的方法，其中在所述基材上施加涂层前体材料的步骤还包括将所述涂层前体材料沉积至约5 μm～约75 μm的厚度。
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