CN106086766B - 一种高抗磨低摩擦系数热喷涂陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高抗磨低摩擦系数热喷涂陶瓷涂层的制备方法。本发明在金属基材上采用热喷涂技术制备的高抗磨低摩擦系数陶瓷涂层采用大气等离子喷涂、激光表面微孔织构化和真空浸渍三种工艺相结合，即陶瓷涂层的制备是采用大气等离子喷涂完成，涂层表面的微孔织构化由激光器自动完成，表面织构化的微孔区域总面积占涂层表面总面积的约30~40%；涂层表面聚四氟乙烯（PTFE）润滑剂的渗入采用真空浸渍的方法完成，最后对陶瓷涂层表面进行平整化处理后得到本发明的涂层。本发明所得陶瓷涂层相比于其它陶瓷涂层因其具有极低的摩擦系数和磨损率，从而大幅度提高了涂层的耐磨损寿命。

Description

一种高抗磨低摩擦系数热喷涂陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高抗磨低摩擦系数热喷涂陶瓷涂层的制备方法，属于涂层表面改性技术领域。
背景技术
陶瓷材料的离子键和共价键结构，其键能高，原子间结合力强，表面自由能低，原子间距小，堆积致密，无自由电子运动，这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高化学稳定性、高绝缘绝热和无延展性等优异特性。利用热喷涂技术制备陶瓷涂层可赋予金属表面许多金属材料无法比拟的优异性能，所以该工艺技术发展迅速，制备的各类陶瓷涂层在工业领域中发挥了越来越重要的作用。具有高性能的新型陶瓷涂层应具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损及化学性质稳定等特性，因此这类材料在我国航空航天、船舶、汽车、石油化工、核电等高技术装备中已成为了一种不可或缺的关键涂层材料。
采用热喷涂制备的陶瓷涂层大多作为高技术领域相关关键零部件的耐磨涂层，如Al2O3、Al2O3-TiO2、Cr2O3等陶瓷涂层已在各机械运动部件中，在耐粘着、耐微动、耐冲蚀、耐磨粒磨损等方面发挥重要作用，获得广泛应用，但是由于陶瓷材料固有的特性，其陶瓷涂层的摩擦学性能尚无法获得较大改进，如Al2O3基涂层在常温的摩擦系数约为0.5~0.6，其磨损量在10-4~10-5μm/N·mm3之间。为了改善热喷涂陶瓷涂层的摩擦磨损性能，在喷涂粉末中复配具有润滑性质的粉末，如Ag、MoS2、BN、石墨等，虽然获得的复合涂层其摩擦学性能有所改善，但效果不十分明显。因此，开发一种制备工艺简单，摩擦磨损性能稳定优异的热喷涂陶瓷涂层材料技术具有非常重要的工程应用价值和创新意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种高抗磨低摩擦系数热喷涂陶瓷涂层的制备方法。
本发明所制备的涂层在与金属或陶瓷配副组成的摩擦副在常温条件下工作时，其摩擦副的摩擦系数可低于0.15，陶瓷涂层的磨损率仅为10-7~10-8μm/N·mm3量级。
本发明提供的可在金属基材上采用热喷涂技术制备的高抗磨低摩擦系数陶瓷涂层采用大气等离子喷涂、激光表面微孔织构化和真空浸渍三种工艺相结合，即陶瓷涂层的制备是采用大气等离子喷涂完成，涂层表面的微孔织构化由激光器自动完成，表面织构化的微孔区域总面积占涂层表面总面积的约30~40%；涂层表面聚四氟乙烯（PTFE）润滑剂的渗入采用真空浸渍的方法完成，最后对陶瓷涂层表面进行平整化处理后得到本发明的涂层。
一种高抗磨低摩擦系数热喷涂陶瓷涂层的制备方法，其具体步骤为：
A、将金属基材进行表面粗化处理及清洗，然后用大气等离子喷涂工艺制备NiAl过渡涂层和Al2O3陶瓷涂层；将制备好的涂层表面进行打磨、抛光和清洗；清洗完后烘干备用；
B、将步骤A制备好的Al2O3陶瓷涂层放置在激光器织构台上采用激光器对Al2O3陶瓷涂层表面进行微孔织构化处理；
C、将经过织构化处理的涂层浸入PTFE浓缩乳液中，然后再将其放入真空室内进行真空浸渍；
D、将Al2O3陶瓷涂层置于100℃~110℃烘箱中放置1~2小时，使浸入涂层微孔中的PTFE乳液干燥；
E、对Al2O3陶瓷涂层表面进行平整化处理。
步骤A中所述Al2O3陶瓷涂层的厚度≥150μm，涂层表面用多重金相砂纸打磨或磨床精磨，陶瓷涂层表面粗糙度Ra＜2.0μm。
步骤B中所述微孔孔径为200μm~300μm，孔深50μm ~80μm，织构化的微孔区域总面积占涂层表面总面积的30%~40%，且孔与孔之间的间距相同；若完成一次织构后，孔深不足，可重复多次进行激光织构。
步骤C中所述PTFE浓缩乳液的固含量为55%~60%，真空浸渍的真空度为-0.7~-0.8bar，浸渍时间4~6小时。
在步骤D中，所采用的干燥条件不但可以保证PTFE浓缩乳液的充分干燥，而且不会对涂层体系的其它性能产生影响。
在步骤E中， Al2O3陶瓷涂层表面平整化处理后， PTFE润滑剂仅存在于织构化的微孔内部，其余部分均为Al2O3陶瓷涂层；且平整化过程可采用多重金相砂纸打磨或磨床切削。
与现有技术相比，本发明的优点在于：结合多种工艺技术，将承载能力差但具有优异摩擦学性能的PTFE和具有高硬度、优异耐腐蚀等性能但摩擦学性能较差的Al2O3陶瓷涂层相结合，通过激光表面织构化和真空浸渍工艺使得PTFE润滑剂浸入Al2O3涂层表面的微凹孔中，不仅实现了PTFE在摩擦过程中可表现出自身优异的摩擦特性，同时结合陶瓷材料的高硬度，使得复配PTFE润滑剂的热喷涂Al2O3陶瓷涂层在摩擦过程中，在其摩擦副界面之间形成的连续润滑转移膜得以实现自适应/自修复功能，从而保证了本发明的陶瓷涂层相比于其它陶瓷涂层不但具有极低的摩擦系数和磨损率，而且大幅度提高了磨损寿命。
附图说明
图1为热喷涂Al2O3陶瓷涂层织构化微孔截面形貌。
图2为热喷涂Al2O3陶瓷涂层表面织构化微孔形貌。
具体实施方式
实施例1
A：1Cr18Ni9Ti不锈钢基材表面粗化处理及清洗后置于喷涂台上，利用大气等离子喷涂设备，在不锈钢基材上喷涂制备NiAl过渡涂层和Al2O3陶瓷涂层，Al2O3陶瓷涂层厚度约270μm；然后将陶瓷涂层表面打磨抛光，其表面粗糙度Ra≈1.6μm。
B：将步骤A制备的Al2O3陶瓷涂层置于激光织构台上进行表面微孔制备，制备的微孔孔径约230μm~280μm，孔深约50μm ~70μm，织构化的微孔区域总面积约占涂层表面总面积的32%，且孔与孔之间的间距基本相同。
C： 将步骤B制备好的Al2O3陶瓷涂层浸泡在固含量为60%的PTFE乳液后，进行真空浸渍（真空度：-0.72 bar）4小时。
D：将完成步骤C的涂层从PTFE乳液取出，放入100℃烘箱保温1小时后，取出。
E：将完成步骤D的涂层在3000#金相砂纸上打磨，以去除粘附在Al2O3陶瓷涂层表面多余的PTFE粉末。
用CSM球盘摩擦磨损实验机表征步骤E制备的陶瓷涂层的摩擦学性能。表1给出了摩擦副的摩擦学数据，可以看出，本发明制备的陶瓷涂层与Al2O3陶瓷球配副，具有极低的摩擦系数和磨损率。
表1. 陶瓷涂层和Al2O3球配副的摩擦磨损性能
实施例2
A：7075铝合金基材表面粗化处理及清洗后置于喷涂台上，利用大气等离子喷涂设备，在铝合金基材上喷涂制备NiAl过渡涂层和Al2O3陶瓷涂层，Al2O3陶瓷涂层厚度约180μm；然后将陶瓷涂层表面打磨抛光，其表面粗糙度Ra≈1.4μm。
B：将步骤A制备的Al2O3陶瓷涂层置于激光织构台上进行表面微孔制备，制备的微孔孔径约240μm ~260μm，孔深约60μm~80μm，织构化的微孔区域总面积约占涂层表面总面积的35%，且孔与孔之间的间距基本相同。
C： 将步骤B制备好的Al2O3陶瓷涂层浸泡在固含量为50%的PTFE乳液后，进行真空浸渍（真空度：-0.74 bar）6小时。
D：将完成步骤C的涂层从PTFE乳液取出，放入100℃烘箱保温2小时后，取出。
E：将完成步骤D的涂层在3000#金相砂纸上打磨，以去除粘附在Al2O3陶瓷涂层表面多余的PTFE粉末。
用CSM球盘摩擦磨损实验机表征步骤E制备的陶瓷涂层的摩擦学性能。表2给出了摩擦副的摩擦学数据，可以看出，本发明制备的陶瓷涂层与ZrO2配副，同样具有极低的摩擦系数和磨损率。
表2. 陶瓷涂层和ZrO2球配副的摩擦磨损性能
实施例3
A：GH 4169基材表面粗化处理及清洗后置于喷涂台上，利用大气等离子喷涂设备，在GH 4169基材上喷涂制备NiAl过渡涂层和Al2O3陶瓷涂层，Al2O3陶瓷涂层厚度约300μm；然后将陶瓷涂层表面打磨抛光，其表面粗糙度Ra≈0.8μm。
B：将步骤A制备的Al2O3陶瓷涂层置于激光织构台上进行表面微孔制备，制备的微孔孔径约220μm ~270μm，孔深约55μm ~74μm，织构化的微孔区域总面积约占涂层表面总面积的40%，且孔与孔之间的间距基本相同。
C： 将步骤B制备好的Al2O3陶瓷涂层浸泡在固含量为55%的PTFE乳液后，进行真空浸渍（真空度：-0.79 bar）5小时。
D：将完成步骤C的涂层从PTFE乳液取出，放入110℃烘箱保温1小时后，取出。
E：将完成步骤D的涂层在3000#金相砂纸上打磨，以去除粘附在Al2O3陶瓷涂层表面多余的PTFE粉末。
用CSM球盘摩擦磨损实验机表征步骤E制备的陶瓷涂层的摩擦学性能。表3给出了摩擦副的摩擦学数据，可以看出，本发明制备的陶瓷涂层与钢球配副，也具有极低的摩擦系数和磨损率。
表3. 陶瓷涂层和钢球配副的摩擦磨损性能
。

Claims (2)

1.一种高抗磨低摩擦系数热喷涂陶瓷涂层的制备方法，其具体步骤为：
A、将金属基材进行表面粗化处理及清洗，然后用大气等离子喷涂工艺制备NiAl过渡涂层和Al2O3陶瓷涂层；将制备好的涂层表面进行打磨、抛光和清洗；清洗完后烘干备用；
B、将步骤A制备好的Al2O3陶瓷涂层放置在激光器织构台上采用激光器对Al2O3陶瓷涂层表面进行微孔织构化处理；所述微孔孔径为200μm~300μm，孔深50μm ~80μm，织构化的微孔区域总面积占涂层表面总面积的30%~40%，且孔与孔之间的间距相同；若完成一次织构后，孔深不足，可重复多次进行激光织构；
C、将经过织构化处理的涂层浸入PTFE浓缩乳液中，然后再将其放入真空室内进行真空浸渍；所述PTFE浓缩乳液的固含量为55%~60%，真空浸渍的真空度为-0.7~-0.8 bar，浸渍时间4~6小时；
D、将Al2O3陶瓷涂层置于100℃~110℃烘箱中放置1~2小时，使浸入涂层微孔中的PTFE乳液干燥；
E、对Al2O3陶瓷涂层表面进行平整化处理。
2.如权利要求1中的制备方法，其特征在于步骤A中所述Al2O3陶瓷涂层的厚度≥150μm，涂层表面用多重金相砂纸打磨或磨床精磨，陶瓷涂层表面粗糙度Ra＜2.0μm。
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