CN104278227A - 一种全金属相宽温域自润滑涂层的制备技术 - Google Patents

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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。采用NiCrAlY、Ag和Mo的混合粉末作为喷涂粉末，再由大气等离子喷涂工艺制备涂层。制备的NiCrAlY-Ag-Mo复合涂层中各组分间的结合性能优异，涂层在20℃到800℃范围内具有优异的摩擦学性能，实现了涂层力学性能和摩擦学性能的双向优化。涂层不仅可在宽温域范围内降低机械零部件的磨损，而且还可在高速、高载的苛刻环境中为滑动部件提供宽温域润滑。另外，涂层制备工艺简单，价格低廉，非常有利于工业化生产和工程应用。

Description

一种全金属相宽温域自润滑涂层的制备技术
技术领域
本发明涉及一种全金属相宽温域自润滑涂层的制备技术。
背景技术
随着现代高技术的发展，航空、航天、机械等高技术产业对宽温域自润滑涂层提出了越来越高的要求。宽温域自润滑涂层不仅需要在所需的工作温度范围内为机械部件提供良好的润滑，而且涂层还需具有优异的力学性能，如结合强度、内聚强度等，以此满足苛刻复杂工况下现代高技术装备稳定运行的需要。美国宇航局格林研究中心为了解决箔片空气轴承在室温启动和650℃停车时，箔片和轴之间发生严重磨损这一难题，采用大气等离子喷涂技术，成功研制了PS304高温自润滑涂层，该涂层可以实现室温~650℃的连续润滑，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。但是以上述两种涂层为代表的PS系列宽温域自润滑涂层仍存在不足，首先该系列涂层的喷涂粉末一般包括四种组份，喷涂粉末组份复杂，且各种喷涂粉末的流动性差异较大，非常不利于喷涂过程中均匀送粉，对涂层结构和成分的均匀性有不利的影响；另外，在该系列涂层中，不仅含有金属粘结相，还含有非金属的增强相Cr2O3和高温润滑相CaF2/BaF2共晶，由于金属和非金属之间物理化学性能的差异，所以二者之间的结合较差，这对涂层的结合强度，内聚强度等力学性能产生不利的影响，很大程度上限制了涂层在高速、高载等苛刻环境下的应用。因此开发一种组份简单，润滑性能优异的全金属相宽温域自润滑涂层，具有非常重要的科学和实用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于在较宽温度范围（室温~800℃）内，具有较低摩擦系数和磨损率的宽温域自润滑涂层的制备技术。
本发明的目的可通过如下措施来实现：
一种全金属相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、Ag 粉末和Mo粉末，将上述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4~19s/50g，松装密度达到4.5~5.1g/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-Ag-Mo宽温域自润滑涂层。
在步骤A中，喷涂粉末中NiCrAlY粉末占70~90wt%，Ag粉占5~15wt%，Mo粉占5~15wt%。
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，Ag粉为球形形貌，粒径为80~120μm。
在步骤A中，Mo粉为不规则形状，粒径为30~85μm。
在步骤C中，应对耐高温合金钢基体进行预热处理，使得基体温度达到80℃~100℃时，再进行涂层喷涂制备。
在步骤C中，利用大气等离子喷涂设备，将制备的喷涂粉末喷涂在高温合金基材上，其喷涂电压为400~600V，喷涂电流为55~75A，主气流量为50~70 L/min，主气压力为0.3~0.6MPa，次气压力为0.3~0.5MPa，送粉气流量为6~8 L/min，喷涂距离为8~12cm，喷涂角度80~900。
本发明提供的NiCrAlY-Ag-Mo宽温域固体自润滑涂层，该涂层是以金属Ag和Mo作为润滑相，Ag在低温下具有良好的润滑性能，在高温时又与Mo发生反应，生成一些具有高温润滑作用的产物；同时，Mo具有较高的硬度，可作为复合涂层中的增强相。这种全金属相自润滑涂层不仅保证了涂层中粘结相和润滑相之间具有良好的结合性能，而且使得涂层在室温至800℃的温度范围内具有优异的自润滑减磨性能。
本发明制备的宽温域自润滑涂层是一种单层结构，涂层厚度控制在.2~1.0mm之间，涂层结合强度在25~38MPa之间。涂层与Si3N4配副，在20℃、200℃、400℃、600℃和800℃的平均摩擦系数为0.25~0.45，涂层的磨损率在2×10-5 mm3/Nm~10×10-5 mm3/Nm之间。涂层与Cu4Al配副，20℃时的平均摩擦系数在0.18~0.22之间，650℃时的平均摩擦系数在0.25~0.30之间。
对于上述技术方案的运用，本发明相比美国NASA的PS系列高温自润滑涂层，具有的优点：本发明制备的NiCrAlY-Ag-Mo全金属相宽温域自润滑涂层是以NiCrAlY作为涂层粘结相，Ag和Mo为涂层润滑相。所制备的全金属相自润滑涂层中，各组份之间结合良好，与金属基材之间有较高的结合强度，实现了宽温域自润滑涂层的力学性能优化。
本发明制备的宽温域润滑涂层在20℃到800℃的温度范围内，都具有低的摩擦系数和磨损率，可以为以箔片空气轴承为代表的众多在宽温域环境中工作的机械部件提供润滑，以此改善金属机械零部件间的摩擦与磨损。
附图说明
图1为NiCrAlY-Ag-Mo涂层的截面SEM形貌照片，可以看出在iCrAlY-Ag-Mo涂层中各组份分布较均匀，涂层结构致密，没有明显的孔隙和裂纹，各组份之间的结合非常紧密。
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：称取NiCrAlY粉末160g，粒径为45~75μm；称取Ag粉末20g，粒径为80~100μm； 称取Mo粉末20g，粒径为50~85μm。将上述粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末；测定喷涂粉末的流动性为：16s/50g，松装密度为：4.7g/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GH4169合金钢基体进行预热，使得基体温度在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55V，送粉气流量6L/min，主气流量40L/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300μm；测定涂层的结合强度为35MPa；用球盘高温摩擦磨损实验机，表征步骤C制备的涂层在20℃、200℃、400℃、600℃和800℃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800℃的温度范围内都具有较好的减磨润滑性能。
表1 NiCrAlY-Ag-Mo涂层和Si3N4配副的摩擦磨损性能
试验温度/℃ 20 200 400 600 800
摩擦系数 0.35 0.33 0.41 0.35 0.28
磨损率/mm3/Nm 3.3×10-5 3.5×10-5 10×10-5 3.8×10-5 2.6×10-5
实施例2：
A：称取NiCrAlY粉末160g，粒径为45~75μm；称取Ag粉末20g，粒径为80~100μm； 称取Mo粉末20g，粒径为30~50μm。将上述粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末；测定喷涂粉末的流动性为：15s/50g，松装密度为：4.8g/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GH4169合金钢基体进行预热，使得基体温度在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500A，喷涂电压70V，送粉气流量6L/min，主气流量65L/min，主气压力0.6MPa，次气压力0.4MPa，喷涂距离12cm，喷涂角度900。
用千分尺测量步骤C制备涂层的厚度为300μm；测定涂层的结合强度为38MPa；用球盘高温摩擦磨损实验机，表征步骤C制备的涂层在20℃、200℃、400℃、600℃和800℃的摩擦磨损性能，摩擦对偶为Si3N4球。表2给出了摩擦副的摩擦学数据，可以看出，通过调整大气等离子喷涂参数，可优化涂层的摩擦学性能。
表2 NiCrAlY -Ag-Mo涂层和Si3N4配副的摩擦磨损性能
试验温度/℃ 20 200 400 600 800
摩擦系数 0.33 0.35 0.40 0.30 0.25
磨损率/mm3/Nm 2.5×10-5 3.3×10-5 9.2×10-5 3.1×10-5 2.4×10-5
实施例3：
A：称取NiCrAlY粉末180g，粒径为45~75μm；称取Ag粉末10g，粒径为80~100μm； 称取Mo粉末10g，粒径为30~50μm。将上述粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末；测定喷涂粉末的流动性为：15s/50g，松装密度为：4.4g/cm3。
B：Incon-718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Incon-718合金钢固定在样品台架上，对Incon-718合金钢基体进行预热，使得基体温度在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500A，喷涂电压70V，送粉气流量6L/min，主气流量65L/min，主气压力0.6MPa，次气压力0.4MPa，喷涂距离12cm，喷涂角度900。  
用千分尺测量步骤C制备涂层的厚度为600μm；涂层的结合强度为27MPa。用销盘高温摩擦磨损实验机表征NiCrAlY-Ag-Mo涂层在20℃和650℃与Cu4Al镀层配副的摩擦磨损性能。在20℃时，Cu4Al镀层作为下试样， NiCrAlY-Ag-Mo涂层作为上试样，测得摩擦副的平均摩擦系数为0.20；在650℃时，以NiCrAlY-Ag-Mo涂层作为下试样，Cu4Al镀层作为上试样，测得摩擦副的平均摩擦系数为0.28。表明本发明制备的全金属相NiCrAlY-Ag-Mo宽温域自润滑涂层，完全可以应用于传统箔片空气轴承起停阶段的润滑。

Claims (7)

1.一种全金属相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、Ag 粉末和Mo粉末，将上述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4~19s/50g，松装密度达到4.5~5.1g/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-Ag-Mo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70~90wt%，Ag粉占5~15wt%，Mo粉占5~15wt%。
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，Ag粉为球形形貌，粒径为80~120μm。
5.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤A中，Mo粉为不规则形状，粒径为30~85μm。
6.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤C中，应对耐高温合金钢基体进行预热处理，使得基体温度达到80℃~100℃时，再进行涂层喷涂制备。
7.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，将制备的喷涂粉末喷涂在高温合金基材上，其喷涂电压为400~600V，喷涂电流为55~75A，主气流量为50~70 L/min，主气压力为0.3~0.6MPa，次气压力为0.3~0.5MPa，送粉气流量为6~8 L/min，喷涂距离为8~12cm，喷涂角度80~900。
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