CN106244974A - 一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法。该方法包括（1）铁基部件预处理；（2）喷涂粉末预处理；（3）超音速火焰喷涂。本发明的特点在于，喷涂用粉经过机械球磨、离心喷雾干燥造粒、热烧结三步处理后，松装密度高、流动性强、粒径范围均匀可控，火焰喷涂的各项用粉指标优良。本发明制得的涂层由金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层三部分构成。在热障性能基础上，涂层利用稀土材料提高了高温条件下工作的转动部件的自润滑性，抗磨损性。

Description

一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法
技术领域
本发明属于特种材料表面改性技术领域，涉及一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法。
背景技术
随着科技水平的进步，人类探索世界的范围也在不断的扩大，对于在恶劣环境下工作的特种部件的需求量也在逐步增加。特别是在航空航天、燃机发电、冶金化工等领域，对于保护极端环境下工作部件的课题也在不断深入，热障涂层材料（Amanda R, Hector F,et al .Calcia magnesia alumino silicate induced degradation and failure ofair plasma sprayed yttria stabilized zirconia thermal barrier coatings.ActaMaterialia 105,2016, 355-366）的研究与改进就是这一领域的重中之重。
普通热障涂层仅仅为工件披上一层抗高温的保护层，并未在部件间的相互摩擦作用中发挥保护作用。为了提高了特种材料在极端工作环境下的工作性能，提高其工作效率和工作寿命，降低特种材料部件正常运行所需能耗，降低特种材料的维护保养成本，必须在热障抗高温的基础上降低部件间的工作磨损。
目前二硫化钼被称为固体润滑材料之王(Junhai W, Yang L,et al.Comparative Study on the Tribological Performances of Barium Perrhenate ,Molybdenum Disulfide , and Calcium Carbonate as Lubricant Additives in a WideTemperature Range. Tribology Transactions 2016, VOL. 59, NO. 1,139-148)，但是在空气中,当温度超过 400℃时，二硫化钼产生明显的氧化，并生成三氧化钼，这在一定程度上影响了二硫化钼润滑性及对金属表面的粘附作用。稀土金属如镧、铈等的化合物，是一种优选的低摩擦系数的固体自润滑材料。连亚峰等考察了二氧化铈对 Ni60高温火焰喷涂涂层耐磨性的影响及其作用机制，发现在镍基喷涂层中加入二氧化铈可以提高喷涂层的显微硬度和耐磨性，在摩擦过程中二氧化铈可促进磨损表面上氧化物的生成，减轻粘着磨损。添加适量的稀土元素可以明显地提高喷焊合金层的耐磨性和承载能力，能够细化喷焊合金层的组织，析出稀土金属化合物沉淀相，从而强化基体。
采用机械球磨—离心喷雾干燥造粒—热烧结处理得到的粉体松装密度高、流动性强、粒径范围均匀可控，火焰喷涂的各项用粉指标优良(H. Chen, G.A. Jackson ,et al.Modelling and experimental study on β-phase depletion behaviour of HVOFsprayed free-standing CoNiCrAlY coatings during oxidation. Surface & CoatingsTechnology 291 ,2016, 34-42)。采用金属粘结层，热障陶瓷层，自润滑工作层三层复合结构，使涂覆后的铁基部件自润滑性良好，热障性能稳定，抗磨损能力提高。在保护特种部件研究领域开辟了一项新思路。
发明内容
本发明提供了一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法。制得的固体自润滑抗磨损热障涂层依次由金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层三部分构成，在铁基部件表面赋予了固体润滑功能和热障功能。
一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，具体通过以下步骤及工艺条件实现：
（1）铁基部件预处理：铁基部件的表面喷砂和超声清洗，干燥；
（2）喷涂粉末预处理：将配制好的喷涂粉末进行机械球磨、离心喷雾干燥造粒、热烧结处理，所述喷涂粉末依次包括金属粘结层粉末、热障陶瓷层粉末、自润滑工作层粉末；
（3）超音速火焰喷涂：设定喷涂程序，根据喷涂工艺进行喷涂固体自润滑抗磨损热障涂层，制得的固体自润滑抗磨损热障涂层由铁基部件表面至外依次包括金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层。
进一步地， 步骤（1）中，所述表面喷砂是采用粒径20~25目刚玉砂（Al2O3），将喷砂机气源调节为0.5~0.9MPa，喷砂机功率调节为2.7~4.2kW，喷砂枪口与铁基部件表面角度保持在45~90度，距离保持在10~15cm。
进一步地，步骤（1）中，所述超声清洗是将表面喷砂后的铁基部件依次在丙酮、酒精、去离子水中超声5~15min。
进一步地，步骤（1）中，所述干燥是在40~60℃烘箱中干燥30~60min。
进一步地，步骤（2）中，所述金属粘结层粉末按元素质量百分比组成为Ni 17~21%，Cr 11~17%，Al 8~12.5%，Y 0.2~1.2%，以及余量Co；所述热障陶瓷层粉末按质量百分比组成为Y2O3 7~12%，MgO 5~10%，以及余量ZrO2；所述自润滑工作层粉末的组成为混合的稀土元素三氟化物，所述稀土元素包括La和Ce。
进一步地，步骤（2）中，所述机械球磨是将金属粘结层粉末、热障陶瓷层粉末、自润滑工作层粉末用球磨机分别采用1:4~6:1、4:1~6:1、5:1~8:1的球料比球磨6~10h。
进一步地，步骤（2）中，将球磨后的金属粘结层粉末、热障陶瓷层粉末、自润滑工作层粉末用聚乙烯醇作为粘结剂，用乙醇和聚乙二醇作为溶剂分别配制浆料；其中聚乙烯醇占浆料质量分数为5~10%，乙醇和聚乙二醇按1:2~1:4质量比占浆料质量分数为35~50%，余量为配制浆料的球磨后的粉末。
进一步地，步骤（2）中，离心喷雾干燥造粒过程中，送料速度采用20~30 g/min，雾化盘转速采用11000~14000 r/min，离心喷雾干燥温度设定为250~290℃。
进一步地，步骤（2）中，所述热烧结处理利用氮气保护氛围，金属粘结层粉末采用800~900℃烧结，热障陶瓷层粉末采用1100~1200℃烧结，自润滑工作层粉末采用900~1000℃烧结，烧结时间均为2~4h。
进一步地，步骤（3）中，喷涂前先关闭送粉系统，用喷涂火焰对铁基部件预热1~3min，然后依次在铁基部件表面涂覆三种功能性粉末。
进一步地，步骤（3）中，喷涂工艺为：喷涂距离100~200mm，喷涂角度70~90度，喷枪移动速度270~300mm/s，火焰温度2000~3000℃，燃气煤油压力0.8~2MPa流量10~20L/min，助燃气体压力25~40MPa流量300~500L/min，送粉速度23~27g/min，所述助燃气体为氧气。
进一步地，步骤（3）中，得到涂层平均厚度93~108μm，涂层孔隙率5%-13%；所述金属粘结层厚度为24~27μm，所述热障陶瓷层为42~51μm，所述自润滑工作层为27~30μm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明喷涂用粉经过机械球磨、离心喷雾干燥造粒、热烧结三步处理后，松装密度高、流动性强、粒径范围均匀可控，火焰喷涂的各项用粉指标优良；
（2）本发明涂层由金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层三部分构成，在热障性能基础上，涂层利用稀土材料提高了高温条件下工作的转动部件的自润滑性，抗磨损性。
附图说明
图1为本发明铁基部件表面经过超音速火焰喷涂后结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法进行进一步说明，但实施方法并不仅限于此。
图1为本发明铁基部件表面经过超音速火焰喷涂后的结构示意图，由图1知，喷涂制得的固体自润滑抗磨损热障涂层由铁基部件表面至外依次包括金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层。
实施例1
（1）铁基部件预处理：
铁基部件表面喷砂处理，采用粒径20目刚玉砂（Al2O3），将喷砂机气源调节为0.5MPa，喷砂机功率调节为2.7kW，喷砂枪口与铁基部件表面角度保持在45度、距离保持在10cm进行喷砂；采用丙酮、酒精、去离子水对喷砂后铁基部件分别超声5min，在40℃烘箱中干燥30min；
（2）喷涂粉末预处理：
三层涂层用粉的元素组成为（质量百分比）：金属粘结层17%Ni，11%Cr，8%Al，0.2%Y，以及余量的Co；热障陶瓷层7%Y2O3，5%MgO，以及余量的ZrO2；自润滑工作层为32.5wt%的三氟化镧和67.5wt%的三氟化铈混合物；
对三种粉末分别机械球磨：金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层粉末用球磨机分别采用4:1、4:1、5:1的球料比球磨6h；
对三种粉末分别离心喷雾干燥造粒：首先制备浆料，用聚乙烯醇作为粘结剂，用乙醇和聚乙二醇作为溶剂分别配制浆料；其中聚乙烯醇占浆料质量分数为5%，乙醇和聚乙二醇按1:2质量比占浆料质量分数为35%，球磨后的粉末占浆料质量分数为60%；离心喷雾干燥造粒过程中，送料速度采用20 g/min，雾化盘转速采用11000 r/min，离心喷雾干燥温度设定为250℃；
对三种粉末分别热烧结处理：利用氮气保护氛围，金属粘结层粉末采用800℃烧结，热障陶瓷层粉末采用1100℃烧结，自润滑工作层粉末采用900℃烧结，烧结时间均为2h；
本发明中采用的机械球磨、离心喷雾干燥造粒、热烧结三步处理方法，得到的喷涂粉末：松装密度高，松装密度平均值稳定在9.1g/cm3；粉末在扫描电镜下观察呈规整球形，流动性强；粒径平均值稳定在20μm可控。
（3）超音速火焰喷涂：
首先设定喷涂程序；喷涂前先关闭送粉系统，用喷涂火焰对铁基部件预热1min，然后依次在铁基部件表面涂覆三种功能性粉末；喷涂工艺：喷涂距离100mm，喷涂角度70度，喷枪移动速度300mm/s，火焰温度2000℃，燃气煤油压力0.8MPa流量10L/min，助燃气体氧气压力25MPa流量300L/min，送粉速度23g/min，得到涂层平均厚度93μm，涂层孔隙率9%，在铁基部件表面得到固体自润滑抗磨损热障涂层；其中所述金属粘结层厚度为24μm，所述热障陶瓷层为42μm，所述自润滑工作层为27μm。
采用本发明制得的涂层涂覆在铁基部件表面，通过测试转动接触面间摩擦系数为0.05，相对未处理部件摩擦系数下降30%；相对于未处理的铁基部件32%的高磨损率，样品在连续1000小时下高温运转，磨损率仅为4%。
实施例2
（1）铁基部件预处理：
铁基部件表面喷砂处理，采用粒径23目刚玉砂（Al2O3），将喷砂机气源调节为0.7MPa，喷砂机功率调节为3.1kW，喷砂枪口与铁基部件表面角度保持在60度、距离保持在12cm进行喷砂；采用丙酮、酒精、去离子水对喷砂后铁基部件分别超声10min，在50℃烘箱中干燥40min；
（2）喷涂粉末预处理：
三层涂层用粉的元素组成为（质量百分比）：金属粘结层19%Ni，13%Cr，10%Al，1%Y，以及余量的Co；热障陶瓷层9%Y2O3，7%MgO，以及余量的ZrO2；自润滑工作层为43.2wt%的三氟化镧和56.8wt%的三氟化铈混合物；
对三种粉末分别机械球磨：金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层粉末用球磨机分别采用5:1、5:1、6:1的球料比球磨8h；
对三种粉末分别离心喷雾干燥造粒：首先制备浆料，用聚乙烯醇作为粘结剂，用乙醇和聚乙二醇作为溶剂分别配制浆料；其中聚乙烯醇占浆料质量分数为7%，乙醇和聚乙二醇按1:3质量比占浆料质量分数为43%，球磨后的粉末为50%；离心喷雾干燥造粒过程中，送料速度采用25g/min，雾化盘转速采用12500 r/min，离心喷雾干燥温度设定为270℃；
对三种粉末分别热烧结处理：利用氮气保护氛围，金属粘结层粉末采用840℃烧结，热障陶瓷层粉末采用1170℃烧结，自润滑工作层粉末采用940℃烧结，烧结时间为3h；
本发明中采用的机械球磨、离心喷雾干燥造粒、热烧结三步处理方法，得到的喷涂粉末：松装密度高，松装密度平均值稳定在9.2g/cm3；粉末在扫描电镜下观察呈规整球形，流动性强；粒径平均值稳定在20μm可控。
（3）超音速火焰喷涂：
首先设定喷涂程序；喷涂前先关闭送粉系统，用喷涂火焰对铁基部件预热2min，然后依次在铁基部件表面涂覆三种功能性粉末；喷涂工艺：喷涂距离150mm，喷涂角度80度，喷枪移动速度290mm/s，火焰温度2400℃，燃气煤油压力1.8MPa流量16L/min，助燃气体氧气压力32MPa流量390L/min，送粉速度23g/min，得到涂层平均厚度100μm，涂层孔隙率5%，在铁基部件表面得到固体自润滑抗磨损热障涂层；其中金属粘结层厚度为25μm，所述热障陶瓷层为47μm，所述自润滑工作层为28μm。
采用本发明制得的涂层涂覆在铁基部件表面，通过测试转动接触面间摩擦系数为0.06，相对未处理部件摩擦系数下降28%；相对于未处理的铁基部件32%的高磨损率，样品在连续1000小时下高温运转，磨损率仅为4%。
实施例3
（1）铁基部件预处理：
铁基部件表面喷砂处理，采用粒径25目刚玉砂（Al2O3），将喷砂机气源调节为0.9MPa，喷砂机功率调节为4.2kW，喷砂枪口与铁基部件表面角度保持在90度、距离保持在15cm进行喷砂；采用丙酮、酒精、去离子水对喷砂后铁基部件分别超声15min，在60℃烘箱中干燥60min；
（2）喷涂粉末预处理：
三层涂层用粉的元素组成为（质量百分比）：金属粘结层21%Ni，17%Cr，12.5%Al，1.2%Y，以及余量的Co；热障陶瓷层12%Y2O3，10%MgO，以及余量的ZrO2；自润滑工作层为28.6wt%的三氟化镧和71.4wt%的三氟化铈混合物；
对三种粉末分别机械球磨：金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层粉末用球磨机分别采用6:1、6:1、8:1的球料比球磨10h；
对三种粉末分别离心喷雾干燥造粒：首先制备浆料，用聚乙烯醇作为粘结剂，用乙醇和聚乙二醇作为溶剂分别配制浆料；其中聚乙烯醇占浆料质量分数为10%，乙醇和聚乙二醇按1:4质量比占浆料质量分数为50%，球磨后的粉末占浆料质量分数为40%；离心喷雾干燥造粒过程中，送料速度采用30g/min，雾化盘转速采用14000 r/min，离心喷雾干燥温度设定为290℃；
对三种粉末分别热烧结处理：利用氮气保护氛围，金属粘结层粉末采用900℃烧结，热障陶瓷层粉末采用1200℃烧结，自润滑工作层粉末采用1000℃烧结，烧结时间为4h；
本发明中采用的机械球磨、离心喷雾干燥造粒、热烧结三步处理方法，得到的喷涂粉末：松装密度高，松装密度平均值稳定在9.4g/cm3；粉末在扫描电镜下观察呈规整球形，流动性强；粒径平均值稳定在20μm可控。
（3）超音速火焰喷涂：
首先设定喷涂程序；喷涂前先关闭送粉系统，用喷涂火焰对铁基部件预热3min，然后依次在铁基部件表面涂覆三种功能性粉末；喷涂工艺：喷涂距离200mm，喷涂角度90度，喷枪移动速度270mm/s，火焰温度3000℃，燃气煤油压力2MPa流量20L/min，助燃气体氧气压力40MPa流量500L/min，送粉速度27g/min，得到涂层平均厚度108μm，涂层孔隙率13%，在铁基部件表面得到固体自润滑抗磨损热障涂层；其中所述金属粘结层厚度为27μm，所述热障陶瓷层为51μm，所述自润滑工作层为30μm。
采用本发明制得的涂层涂覆在铁基部件表面，通过测试转动接触面间摩擦系数为0.04，相对未处理部件摩擦系数下降33%；相对于未处理的铁基部件32%的高磨损率，样品在连续1000小时下高温运转，磨损率仅为4%。

Claims (10)

1.一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）铁基部件预处理：铁基部件的表面喷砂和超声清洗，干燥；
（2）喷涂粉末预处理：将配制好的喷涂粉末进行机械球磨、离心喷雾干燥造粒、热烧结处理，所述喷涂粉末依次包括金属粘结层粉末、热障陶瓷层粉末、自润滑工作层粉末；
（3）超音速火焰喷涂：设定喷涂程序，根据喷涂工艺进行喷涂固体自润滑抗磨损热障涂层，制得的固体自润滑抗磨损热障涂层由铁基部件表面至外依次包括金属粘结层、热障陶瓷层、自润滑工作层。
2.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述表面喷砂是采用粒径20~25目刚玉砂，将喷砂机气源调节为0.5~0.9MPa，喷砂机功率调节为2.7~4.2kW，喷砂枪口与铁基部件表面角度保持在45~90度，距离保持在10~15cm。
3.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述超声清洗是将表面喷砂后的铁基部件依次在丙酮、酒精、去离子水中超声5~15min；所述干燥是在40~60℃烘箱中干燥30~60min。
4.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述金属粘结层粉末按元素质量百分比组成为Ni 17~21%，Cr 11~17%，Al 8~12.5%，Y 0.2~1.2%，以及余量Co；所述热障陶瓷层粉末按质量百分比组成为Y2O3 7~12%，MgO5~10%，以及余量ZrO2；所述自润滑工作层粉末的组成为混合的稀土元素三氟化物，所述稀土元素包括La和Ce。
5.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述机械球磨是将金属粘结层粉末、热障陶瓷层粉末、自润滑工作层粉末用球磨机分别采用4:1~6:1、4:1~6:1、5:1~8:1的球料比球磨6~10h。
6.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，将球磨后的金属粘结层粉末、热障陶瓷层粉末、自润滑工作层粉末用聚乙烯醇作为粘结剂，用乙醇和聚乙二醇作为溶剂分别配制浆料；其中聚乙烯醇占浆料质量分数为5~10%，乙醇和聚乙二醇按1:2~1:4质量比占浆料质量分数为35~50%，余量为配制浆料的球磨后的粉末。
7.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，离心喷雾干燥造粒过程中，送料速度采用20~30 g/min，雾化盘转速采用11000~14000 r/min，离心喷雾干燥温度设定为250~290℃。
8.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述热烧结处理利用氮气保护氛围，金属粘结层粉末采用800~900℃烧结，热障陶瓷层粉末采用1100~1200℃烧结，自润滑工作层粉末采用900~1000℃烧结，烧结时间均为2~4h。
9.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，喷涂前先关闭送粉系统，用喷涂火焰对铁基部件预热1~3min；喷涂工艺为：喷涂距离100~200mm，喷涂角度70~90度，喷枪移动速度270~300mm/s，火焰温度2000~3000℃，燃气煤油压力0.8~2MPa流量10~20L/min，助燃气体压力25~40MPa流量300~500L/min，送粉速度23~27g/min，所述助燃气体为氧气。
10.根据权利要求1所述的一种固体自润滑抗磨损热障涂层的制备方法，其特征在于：在步骤（3）中，得到涂层平均厚度93~108μm，涂层孔隙率5%-13%；所述金属粘结层厚度为24~27μm，所述热障陶瓷层为42~51μm，所述自润滑工作层为27~30μm。
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