CN104278226A - 一种宽温域自润滑涂层的制备技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全金属相宽温域自润滑涂层的制备技术。涂层采用大气等离子喷涂技术制备，其喷涂粉末由NiCrAlY、Cr₂O₃、Ag和CaF₂/BaF₂共晶四种粉末组成。制备的NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂宽温域自润滑涂层，在20℃到1000℃的温度范围内，具有较低的摩擦系数和磨损率。本发明制备工艺简单，价格低廉，有利于工业化生产，该宽温域固体自润滑涂层可以在20℃到1000℃的温度范围内使用，以此降低机械中零部件的摩擦磨损，拓宽了机械部件的工作温度，具有重要的工程应用价值。

Description

一种宽温域自润滑涂层的制备技术

技术领域

本发明涉及一种宽温域自润滑涂层的制备技术。

背景技术

随着航空、航天、舰船、战车等高新军民技术产业中所涉及的各类发动机，不断向高推重比、高流量比的快速发展，以及现代高技术装备的运行工况越来越苛刻、条件越来越复杂和不断提升的高精度、高可靠性和长寿命等方面的要求，对突破原有涂层材料综合性能极限的高性能宽温域自润滑涂层的需求也越来越迫切，我国急需解决从室温~1000℃宽温域范围内具有优异摩擦磨损性能的自润滑涂层技术，该涂层不但能在更高温度条件下，尤其是在800℃~1000℃范围内具有优异的自润滑性能，而且还要具有优异的环境适应性及稳定性。美国为了解决箔片空气轴承在起停过程中箔片和轴间产生滑动接触引而起严重磨损这一难题，美国宇航局格林研究中心，于上个世纪九十年代利用大气等离子喷涂技术，成功制备出PS304高温自润滑涂层，该涂层可以实现室温~650℃的连续润滑。为了改善涂层在高温条件下，涂层的相关热力学性能和其高温稳定性，该研究中心又于2009年报道了其最新研制的PS400涂层，该涂层采用镍钼铝（NiMoAl）替代镍铬作为涂层的粘结相，以此来提高涂层在高温条件下的稳定性。但是上述两种涂层为代表的PS系列宽温域自润滑涂层都存在一个不足，即这些涂层的最高服役温度都在650℃左右，不能满足更高温度条件下的应用。因此，目前PS系列的涂层已经很难满足现代高温润滑部件的要求，如绝热发动机机械轴承衬垫的工作温度范围在600℃~1000℃，所以迫切需要研制可实现从室温到1000℃范围内，均具有良好润滑性能的宽温域自润滑涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽温域固体自润滑涂层的制备技术，由该技术制备的涂层可实现从室温到1000℃的连续润滑。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

本发明利用大气等离子喷涂技术制备，喷涂粉末通过高温焰流后，形成熔融或半熔融态液滴，瞬间沉积在高温合金钢基材上，通过数遍的沉积过程，最终形成涂层。

一种宽温域自润滑涂层的制备技术，采用大气等离子喷涂工艺制备，其特征在于该技术涂层的喷涂过程是用大气等离子喷涂设备完成，具体步骤为：

A、按照粉末配比称取NiCrAlY合金粉末、Cr₂O₃粉末、Ag粉末和CaF₂/BaF₂共晶粉末；将上述四种粉末置于机械混料机中混合后制得喷涂粉末；使喷涂粉末的流动性达到22.0~26.0s/50g，松装密度达到3.8~4.6g/cm³；

B、将高温合金钢基材进行表面粗化处理及清洗；

C、将步骤A制备的喷涂粉末装入大气等离子喷涂设备的送粉器中，再将经过步骤B处理后的高温合金钢固定在喷涂台上，设定喷涂工艺参数后，用大气等离子喷涂工艺制备NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂宽温域自润滑涂层。

在步骤A中，喷涂粉末中NiCrAlY粉末占60~80wt%，Cr₂O₃粉末占10~20wt%，Ag粉占5~10wt%，CaF₂/BaF₂共晶粉末占5~10wt%。

在步骤A中， NiCrAlY粉末为不规则形状，粒径为30~100μm，NiCrAlY粉末中Ni含量为67%，Cr含量为22%，Al含量为10%，其余为Y。

在步骤A中， Cr₂O₃粉末为机械破碎粉末，其粒径为20~80μm。

在步骤A中， Ag粉为球形，粒径为80~120μm。

在步骤A中，CaF₂/BaF₂共晶粉末是通过等离子球化技术制备而成，其组成为BaF₂占68wt%，CaF₂占32wt%，制得的CaF₂/BaF₂共晶粉末呈规则的球形，粉末粒径为20~150μm。

在步骤C中，喷涂前，应对高温合金钢基体进行预热处理，使得基体温度达到80~100℃时，再进行涂层喷涂。

在步骤C中，利用大气等离子喷涂设备，将制备的喷涂粉末通过喷枪的高温焰流，沉积在金属基材上，得到NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂宽温域自润滑涂层。其具体的喷涂参数为：喷涂电压为400~600V，喷涂电流为55~70A，主气流量为35~65 L/min，主气压力为0.3~0.5MPa，次气压力为0.3~0.4 MPa，送粉气流量为5~8 L/min，喷涂距离为8~10cm，喷涂角度70~90⁰。

本发明采用大气等离子喷涂技术，制备宽温域自润滑涂层，喷涂粉末中的NiCrAlY合金为涂层的粘结相，Cr₂O₃为涂层的增强相，Ag为涂层的中低温润滑相，CaF₂/BaF₂共晶为涂层的高温润滑相。本发明中，采用具有优异抗高温性能的NiCrAlY粉末作为涂层的粘结相，大幅度地提高了所制备涂层的高温服役温度，实现了涂层在更宽温域范围内具有自润滑特性；同时，所制备的宽温域自润滑涂层是一种单层结构涂层，涂层的厚度控制在0.2mm~1mm之间；涂层的结合强度在20~35MPa之间。将制备的涂层与Si₃N₄配副后进行摩擦试验，摩擦副在20℃、200℃、400℃、600℃，800℃和1000℃的平均摩擦系数在0.23~0.44之间，涂层的磨损率在2.0×10^-5mm³/Nm~10.0 ×10^-5mm³/Nm之间。涂层与高温合金钢配副后进行摩擦试验，摩擦副在20℃、200℃、400℃、600℃和800℃的平均摩擦系数在0.3~0.45之间，涂层的磨损率在1.0×10^-5mm³/Nm~4.5×10^-5mm³/Nm之间。涂层与Cu₄Al配副后进行摩擦试验，摩擦副在20℃的平均摩擦系数在0.15~0.2之间，在650℃时的平均摩擦系数在0.2~0.25之间。对于上述技术方案的运用，本发明具有的优点：本发明采用具有优异抗高温性能的NiCrAlY合金作为宽温域自润滑涂层的粘结相，与美国NASA研制的PS系列涂层相比，本发明制备的涂层大幅度提高了涂层的服役温度，涂层实现了从室温~1000℃的宽温域范围内工作。

本发明制备的宽温域自润滑涂层，在室温~1000℃的宽温域范围内，具有较低的摩擦系数和磨损率，不仅可以为箔片空气轴承等传统的润滑部件提供润滑，还可以推广到在1000℃环境下运行的现代工业机械中，以改善零部件间的摩擦与磨损。

附图说明

图1为制备的该宽温域自润滑涂层的XRD衍射谱图。

图2为涂层在1000℃摩擦实验后的光学照片，涂层磨痕表面光滑平整，且经高温摩擦实验后，涂层没有发生明显的氧化和从金属基材上的剥落。

具体实施方式

实施例1：

    本实施例宽温域自润滑涂层的制备方法，具体步骤如下：

A：分别称取：NiCrAlY粉末：120g，其粉末粒径为45~75μm； Cr₂O₃粉末：40g，其粉末粒径为30~60μm；Ag粉末：20g，其粉末粒径为80~100μm；CaF₂/BaF₂共晶粉末：20g，其粉末粒径为100~140μm。将称取的四种粉末置于机械混料机中混合后，得到所需的喷涂粉末，该喷涂粉末的流动性为：24.6s/50g，松装密度为：3.9g/cm³。

B：GH4169合金钢基材表面粗化处理及清洗。

C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的GH4169合金钢固定在样品台架上，对合金钢基体进行预热，使得基体温度为80℃~100℃时进行涂层喷涂。大气等离子喷涂的具体工艺参数为：喷涂电流450A，喷涂电压60V，送粉气流量6L/min，主气流量50L/min，主气压力0.5MPa，次气压力0.3MPa，喷涂距离10cm，喷涂角度90⁰。

用千分尺测量步骤C制备涂层的厚度为400μm；涂层的结合强度为28MPa。利用球盘高温摩擦磨损实验机表征涂层在20℃、200℃、400℃、600℃、800℃和1000℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Si₃N₄球。表1给出了摩擦副的摩擦学数据，可以看出涂层在20℃到1000℃的温度范围内都具有较好的润滑性能。

表1 NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂涂层和Si₃N₄配副的摩擦磨损性能

试验温度/℃	20	200	400	600	800	1000
							摩擦系数	0.38	0.34	0.42	0.27	0.25	0.35
磨损率/mm3/Nm	3.3×10-5	3.8×10-5	9.9×10-5	2.7×10-5	2.5×10-5	6.2×10-5

实施例2：

A：分别称取：NiCrAlY粉末：140g，其粉末粒径为45~75μm； Cr₂O₃粉末：40g，其粉末粒径为30~60μm；Ag粉末：10g，其粉末粒径为80~100μm；CaF₂/BaF₂共晶粉末：10g，其粉末粒径为20~50μm。将称取的四种粉末置于机械混料机中混合后，得到所需的喷涂粉末，该喷涂粉末的流动性为：23.5s/50g，松装密度为：4.1g/cm³。

B：GH4169合金钢基材表面粗化处理及清洗。

C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的GH4169合金钢固定在样品台架上，对合金钢基体进行预热，使得基体温度为80℃~100℃时进行涂层喷涂。大气等离子喷涂的具体工艺参数为：喷涂电流400A，喷涂电压60V，送粉气流量6L/min，主气流量60L/min，主气压力0.5MPa，次气压力0.3MPa，喷涂距离10cm，喷涂角度90⁰。

用千分尺测量步骤C制备涂层的厚度为400μm；涂层的结合强度为33MPa。采用销盘高温摩擦磨损实验机表征涂层在20℃、200℃、400℃、600℃，800℃时与GH4169配副后的摩擦磨损性能。表2给出了摩擦副的摩擦学数据，这些数据表明，本发明所制备的宽温域自润滑涂层与高温合金配副后，从室温到800℃，涂层表现出良好的自润滑性能。

表2 NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂涂层和高温合金配副的摩擦磨损性能

试验温度/℃	20	200	400	600	800
						摩擦系数	0.42	0.42	0.45	0.33	0.30
磨损率/mm3/Nm	2.4×10-5	2.1×10-5	3.8×10-5	1.6×10-5	1.2×10-5

实施例3：

A：分别称取：NiCrAlY粉末：180g，其粉末粒径为45~75μm； Cr₂O₃粉末：60g，其粉末粒径为30~60μm；Ag粉末：30g，其粉末粒径为80~100μm ；CaF₂/BaF₂共晶粉末：30g，其粉末粒径为20~50μm。将称取的四种粉末置于机械混料机中混合后，得到所需的喷涂粉末，该粉末的流动性为：25.3s/50g，松装密度为：3.8g/cm³。

B：Incong718合金钢基材表面粗化处理及清洗。

C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的Incong718合金钢固定在样品台架上，对合金钢基体进行预热，使得基体温度为80℃~100℃时进行涂层喷涂。大气等离子喷涂的具体工艺参数为：喷涂电流400A，喷涂电压60V，送粉气流量6L/min，主气流量60L/min，主气压力0.5MPa，次气压力0.3MPa，喷涂距离10cm，喷涂角度90⁰。

用千分尺测量步骤C制备涂层的厚度为800μm；涂层的结合强度为21MPa。用销盘高温摩擦磨损实验机分别表征涂层在20℃和650℃条件下，与Cu₄Al配副的摩擦磨损性能。在20℃时，以Cu₄Al作为下试样， NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂涂层作为上试样，测得摩擦副的平均摩擦系数为0.18；在650℃时，以NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂涂层作为下试样，以Cu₄Al作为上试样，测得摩擦副的平均摩擦系数为0.2。该结果表明，本发明制备的涂层完全可以应用于传统箔片空气轴承在起停阶段的润滑。

Claims (9)

1.一种宽温域自润滑涂层的制备技术，采用大气等离子喷涂工艺制备，其特征在于该技术涂层的喷涂过程是用大气等离子喷涂设备完成，具体步骤为：

A、按照粉末配比称取NiCrAlY合金粉末、Cr₂O₃粉末、Ag粉末和CaF₂/BaF₂共晶粉末；将上述四种粉末置于机械混料机中混合后制得喷涂粉末；使喷涂粉末的流动性达到22.0~26.0s/50g，松装密度达到3.8~4.6g/cm³；

B、将高温合金钢基材进行表面粗化处理及清洗；

C、将步骤A制备的喷涂粉末装入大气等离子喷涂设备的送粉器中，再将经过步骤B处理后的高温合金钢固定在喷涂台上，设定喷涂工艺参数后，用大气等离子喷涂工艺制备NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂宽温域自润滑涂层。

2.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤A中，喷涂粉末中NiCrAlY粉末占60~80wt%，Cr₂O₃粉末占10~20wt%，Ag粉占5~10wt%，CaF₂/BaF₂共晶粉末占5~10wt%。

3.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤A中， NiCrAlY粉末为不规则形状，粒径为30~100μm，NiCrAlY粉末中Ni含量为67%，Cr含量为22%，Al含量为10%，其余为Y。

4.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤A中， Cr₂O₃粉末为机械破碎粉末，其粒径为20~80μm。

5.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤A中， Ag粉为球形，粒径为80~120μm。

6.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤A中，CaF₂/BaF₂共晶粉末是通过等离子球化技术制备而成，其组成为BaF₂占68wt%，CaF₂占32wt%，制得的CaF₂/BaF₂共晶粉末呈规则的球形，粉末粒径为20~150μm。

7.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤C中，喷涂前，应对高温合金钢基体进行预热处理，使得基体温度达到80~100℃时，再进行涂层喷涂。

8.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤C中，利用大气等离子喷涂设备，将制备的喷涂粉末通过喷枪的高温焰流，沉积在金属基材上，得到NiCrAlY-Cr₂O₃-Ag-CaF₂/BaF₂宽温域自润滑涂层。

9.其具体的喷涂参数为：喷涂电压为400~600V，喷涂电流为55~70A，主气流量为35~65 L/min，主气压力为0.3~0.5MPa，次气压力为0.3~0.4 MPa，送粉气流量为5~8 L/min，喷涂距离为8~10cm，喷涂角度70~90⁰。