CN107354418A - 一种耐磨隔热涂层及其制作方法 - Google Patents

一种耐磨隔热涂层及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨隔热涂层及其制作方法，该涂层由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；所述的隔热层由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(0.35～0.55)组成；所述的耐磨层由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(3.0～5.5)组成。该涂层的制作方法如下：1)表面处理；2)热喷涂；3)热处理：以5～10℃/min的升温速率将工件升温至800～820℃，恒温处理1～3小时，再以5～10℃/min的升温速率升温至1010～1020℃，恒温处理1～3小时，再在氮气环境下放入油槽淬火。本发明的耐磨隔热涂层的隔热效果好，断裂韧性较高，耐腐蚀性能和耐磨损性能优异。

Description

一种耐磨隔热涂层及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨隔热涂层及其制作方法。
背景技术
现代航空发动机的压气机出口温度可以达到600℃以上，一般的材料在该温度下性能会显著下降，无法完全满足要求。涂层通常指涂敷于零件表面的一层特殊材料，可以显著提高零件的性能和工作寿命，是航空发动机制造必不可少的技术手段。现代航空发动机有75％以上的零件都涂敷有各种功能的涂层用以增加零件的使用寿命、可靠性和抗疲劳等性能等。
目前，常见的隔热涂层大都存在其固有的缺陷，例如：中国专利CN 105063542 A公开了一种具有耐磨功能的热障涂层，其隔热效果不错，但其外表主要是陶瓷材料，在对磨过程中剥落的陶瓷颗粒作为第三研磨体，易造成磨粒磨损；中国专利CN 102146563 A公开了一种设置在钢轨上的隔热涂层，其隔热效果不错，但该隔热涂层与钢轨的结合力弱，在热应力的作用下，隔热涂层容易发生剥落。
因此，有必要开发一种断裂韧性高、隔热效果好、耐磨耐腐蚀、使用寿命长的涂层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨隔热涂层及其制作方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种耐磨隔热涂层，其由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；所述的隔热层由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(0.35～0.55)组成；所述的耐磨层由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(3.0～5.5)组成。
所述的氧化钇稳定氧化锆粉末的粒径为38～75μm。
所述的氧化钇稳定氧化锆粉末中氧化钇的质量分数为5％～8％。
所述的NiCrAlY粉末的粒径为45～106μm。
所述的隔热层的厚度为100～160μm。
所述的耐磨层的厚度为100～150μm。
上述耐磨隔热涂层的制作方法包括以下步骤：
1)表面处理：将工件浸入除油液进行除油，再进行粗化处理，再进行清洗；
2)热喷涂：采用大气等离子喷涂设备先在工件上喷涂隔热层，再喷涂耐磨层；
3)热处理：以5～10℃/min的升温速率将工件升温至800～820℃，恒温处理1～3小时，再以5～10℃/min的升温速率升温至1010～1020℃，恒温处理1～3小时，再在氮气环境下放入油槽淬火。
步骤2)喷涂隔热层和耐磨层时大气等离子喷涂设备的送粉速率为40～42g/min，喷涂距离为80～100mm，电弧电压为50～52V，电弧电流为500～520A，喷枪移动速度为50～80cm/s，载粉气速率为8～10slpm。
本发明的有益效果是：
1)本发明的耐磨隔热涂层的热导率低，能够有效阻隔热传导，隔热效果好；
2)本发明的耐磨隔热涂层具有较高的断裂韧性，涂层中的铁元素和镍元素相互扩散，处于冶金结合状态，结合力强；
3)本发明的耐磨隔热涂层具有优异的耐腐蚀性能和耐磨损性能。
附图说明
图1为实施例1和对比例的耐磨隔热涂层的耐磨损性能测试图。
图2为对比例的耐磨隔热涂层在不同载荷下磨损面的扫描电镜图。
图3为实施例1的耐磨隔热涂层在不同载荷下磨损面的扫描电镜图。
图4为实施例1和对比例的耐磨隔热涂层的隔热性能测试图。
具体实施方式
一种耐磨隔热涂层，其由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；所述的隔热层由氧化钇稳定氧化锆粉末(YSZ)和NiCrAlY粉末按质量比1：(0.35～0.55)组成；所述的耐磨层由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(3.0～5.5)组成。
优选的，所述的氧化钇稳定氧化锆粉末的粒径为38～75μm。
优选的，所述的氧化钇稳定氧化锆粉末中氧化钇的质量分数为5％～8％。
优选的，所述的NiCrAlY粉末的粒径为45～106μm。
优选的，所述的隔热层的厚度为100～160μm。
优选的，所述的耐磨层的厚度为100～150μm。
上述耐磨隔热涂层的制作方法包括以下步骤：
1)表面处理：将工件浸入除油液进行除油，再进行粗化处理，再进行清洗；
2)热喷涂：采用大气等离子喷涂设备先在工件上喷涂隔热层，再喷涂耐磨层；
3)热处理：以5～10℃/min的升温速率将工件升温至800～820℃，恒温处理1～3小时，再以5～10℃/min的升温速率升温至1010～1020℃，恒温处理1～3小时，再在氮气环境下放入油槽淬火。
优选的，步骤2)喷涂隔热层和耐磨层时大气等离子喷涂设备的送粉速率为40～42g/min，喷涂距离为80～100mm，电弧电压为50～52V，电弧电流为500～520A，喷枪移动速度为50～80cm/s，载粉气速率为8～10slpm。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种耐磨隔热涂层，其由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；隔热层的厚度为150μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为7％)和NiCrAlY粉末按质量比7:3组成；耐磨层的厚度为120μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为7％)和NiCrAlY粉末按质量比1:4组成。
上述耐磨隔热涂层的制作方法包括以下步骤：
1)表面处理：将工件浸入除油液在30kHz的超声频率下进行超声除油，再放入喷砂机进行粗化处理，调整喷砂机压缩空气的工作压力为0.6MPa，喷射角按制在45°，喷嘴距工作面的距离控制在150mm，喷砂后工件表面的粗糙度在60～100μm之间，再超声清洗工件；
2)热喷涂：采用大气等离子喷涂设备先在工件上喷涂隔热层，再喷涂耐磨层，大气等离子喷涂设备的送粉速率为40g/min，喷涂距离为80mm，电弧电压为50V，电弧电流为500A，喷枪移动速度为50cm/s，载粉气速率为10slpm；
3)热处理：以7℃/min的升温速率将工件升温至810℃，恒温处理2小时，再以7℃/min的升温速率升温至1010℃，恒温处理2小时，再在氮气环境下放入油槽淬火，得到耐磨隔热涂层。
实施例2：
一种耐磨隔热涂层，其由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；隔热层的厚度为120μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为5％)和NiCrAlY粉末按质量比1:0.35组成；耐磨层的厚度为100μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为7％)和NiCrAlY粉末按质量比1:4.5组成。
上述耐磨隔热涂层的制作方法包括以下步骤：
1)表面处理：将工件浸入除油液在28kHz的超声频率下进行超声除油，再放入喷砂机进行粗化处理，调整喷砂机压缩空气的工作压力为0.4MPa，喷射角按制在30°，喷嘴距工作面的距离控制在100mm，喷砂后工件表面的粗糙度在60～100μm之间，再超声清洗工件；
2)热喷涂：采用大气等离子喷涂设备先在工件上喷涂隔热层，再喷涂耐磨层，大气等离子喷涂设备的送粉速率为40g/min，喷涂距离为90mm，电弧电压为52V，电弧电流为510A，喷枪移动速度为60cm/s，载粉气速率为9slpm；
3)热处理：以5℃/min的升温速率将工件升温至800℃，恒温处理3小时，再以7℃/min的升温速率升温至1020℃，恒温处理1小时，再在氮气环境下放入油槽淬火，得到耐磨隔热涂层。
实施例3：
一种耐磨隔热涂层，其由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；隔热层的厚度为100μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为8％)和NiCrAlY粉末按质量比1:0.45组成；耐磨层的厚度为130μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为7％)和NiCrAlY粉末按质量比1:3组成。
上述耐磨隔热涂层的制作方法包括以下步骤：
1)表面处理：将工件浸入除油液在28kHz的超声频率下进行超声除油，再放入喷砂机进行粗化处理，调整喷砂机压缩空气的工作压力为0.4MPa，喷射角按制在30°，喷嘴距工作面的距离控制在100mm，喷砂后工件表面的粗糙度在60～100μm之间，再超声清洗工件；
2)热喷涂：采用大气等离子喷涂设备先在工件上喷涂隔热层，再喷涂耐磨层，大气等离子喷涂设备的送粉速率为42g/min，喷涂距离为90mm，电弧电压为50V，电弧电流为510A，喷枪移动速度为70cm/s，载粉气速率为9slpm；
3)热处理：以7℃/min的升温速率将工件升温至820℃，恒温处理1小时，再以5℃/min的升温速率升温至1010℃，恒温处理1.5小时，再在氮气环境下放入油槽淬火，得到耐磨隔热涂层。
实施例4：
一种耐磨隔热涂层，其由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；隔热层的厚度为160μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为7％)和NiCrAlY粉末按质量比1:0.55组成；耐磨层的厚度为150μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为7％)和NiCrAlY粉末按质量比1:5.5组成。
上述耐磨隔热涂层的制作方法包括以下步骤：
1)表面处理：将工件浸入除油液在40kHz的超声频率下进行超声除油，再放入喷砂机进行粗化处理，调整喷砂机压缩空气的工作压力为0.8MPa，喷射角按制在60°，喷嘴距工作面的距离控制在200mm，喷砂后工件表面的粗糙度在60～100μm之间，再超声清洗工件；
2)热喷涂：采用大气等离子喷涂设备先在工件上喷涂隔热层，再喷涂耐磨层，大气等离子喷涂设备的送粉速率为42g/min，喷涂距离为100mm，电弧电压为52V，电弧电流为520A，喷枪移动速度为80cm/s，载粉气速率为8slpm；
3)热处理：以10℃/min的升温速率将工件升温至820℃，恒温处理1.5小时，再以10℃/min的升温速率升温至1015℃，恒温处理3小时，再在氮气环境下放入油槽淬火，得到耐磨隔热涂层。
对比例：
一种耐磨隔热涂层，其由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；隔热层的厚度为150μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为7％)和NiCrAlY粉末按质量比7:3组成；耐磨层的厚度为120μm，由氧化钇稳定氧化锆粉末(氧化钇的质量分数为7％)和NiCrAlY粉末按质量比1:4组成。
上述耐磨隔热涂层的制作方法包括以下步骤：
1)表面处理：将工件浸入除油液在30kHz的超声频率下进行超声除油，再放入喷砂机进行粗化处理，调整喷砂机压缩空气的工作压力为0.6MPa，喷射角按制在45°，喷嘴距工作面的距离控制在150mm，喷砂后工件表面的粗糙度在60～100μm之间，再超声清洗工件；
2)热喷涂：采用大气等离子喷涂设备先在工件上喷涂隔热层，再喷涂耐磨层，大气等离子喷涂设备的送粉速率为40g/min，喷涂距离为80mm，电弧电压为50V，电弧电流为500A，喷枪移动速度为50cm/s，载粉气速率为10slpm，得到耐磨隔热涂层。
测试例：
1)断裂韧性：
依据标准GB/T 21838.1-2008《金属材料硬度和材料参数的仪器化压痕试验第1部分：试验方法》，采用压痕法对实施例1和对比例的耐磨隔热涂层进行断裂韧性测试，测试结果如表1所示。测试试样的横截面抛光成镜面，在显微硬度仪上以30kg负载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。借助扫描电镜观察压痕及其裂纹的形态，再用EVANS模型根据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性数值(KIC)。计算公式为：Kc＝0.079(P/a3/2)log(4.5a/c)，式中：P为维氏硬度施加载荷(N)；a为压痕对角线半长(μm)；c为裂纹长度，且c＝a+L，L为裂纹顶端到压痕边界的距离(μm)。
表1实施例1和对比例的耐磨隔热涂层的断裂韧性测试结果
对比例 实施例1
Kc(MPa·m1/2) 2.4200 6.8938
由表1可知：实施例1的耐磨隔热涂层的断裂韧性约为对比例的耐磨隔热涂层的3倍，实施例1的耐磨隔热涂层的断裂韧性很好。
2)耐磨损性能：
依据标准ASTM G133-2005《线性往复式球-平面滑动磨损的标准试验方法》进行耐磨损性能试验，分别在50N和100N载荷下对实施例1和对比例的耐磨隔热涂层进行耐磨损性能测试，磨损率测试结果如表2所示，干摩擦条件下的摩擦系数如图1所示，样品磨损面的扫描电镜图如图2(其中a和b为50N载荷，c和d为100N载荷)和图3(其中a和b为50N载荷，c和d为100N载荷)所示：
表2实施例1和对比例的耐磨隔热涂层的磨痕深度
由表2可知：实施例1的耐磨隔热涂层的磨痕深度要显著小于对比例的耐磨隔热涂层，其耐磨损性能更好。
由图1可知：实施例1的耐磨隔热涂层在干摩擦条件下的摩擦系数约为0.23(100N)，低的摩擦系数使摩擦热量大幅降低，可有效减轻基体的热负荷。
由图2和图3可知：从磨损机理来看，实施例1和对比例的耐磨隔热涂层虽然大致上都是氧化磨损和磨粒磨损，但对比例的耐磨隔热涂层的犁沟更深，氧化膜破裂更严重。
3)隔热性能：
采用电阻温度计对实施例1和对比例的耐磨隔热涂层进行隔热性能测试，将电阻温度计装在样品座内部，试样进行往复运动，实时测量样品底部的温度，测试结果如图4所示。
由图4可知：实例1中样品底部温度几乎不变，而对比例中在50N载荷下样品温升为1.7℃，在100N载荷下样品温升为4.3℃，说明本发明的耐磨隔热涂层试样隔热效果明显。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耐磨隔热涂层，其特征在于：其由设置在基底上的隔热层和设置在隔热层上的耐磨层组成；所述的隔热层由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(0.35～0.55)组成；所述的耐磨层由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末按质量比1：(3.0～5.5)组成。
2.根据权利要求1所述的耐磨隔热涂层，其特征在于：所述的氧化钇稳定氧化锆粉末的粒径为38～75μm。
3.根据权利要求2所述的耐磨隔热涂层，其特征在于：所述的氧化钇稳定氧化锆粉末中氧化钇的质量分数为5％～8％。
4.根据权利要求1所述的耐磨隔热涂层，其特征在于：所述的NiCrAlY粉末的粒径为45～106μm。
5.根据权利要求1所述的耐磨隔热涂层，其特征在于：所述的隔热层的厚度为100～160μm。
6.根据权利要求1所述的耐磨隔热涂层，其特征在于：所述的耐磨层的厚度为100～150μm。
7.权利要求1～6中任意一项所述的耐磨隔热涂层的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)表面处理：将工件浸入除油液进行除油，再进行粗化处理，再进行清洗；
2)热喷涂：采用大气等离子喷涂设备先在工件上喷涂隔热层，再喷涂耐磨层；
3)热处理：以5～10℃/min的升温速率将工件升温至800～820℃，恒温处理1～3小时，再以5～10℃/min的升温速率升温至1010～1020℃，恒温处理1～3小时，再在氮气环境下放入油槽淬火。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：步骤2)喷涂隔热层和耐磨层时大气等离子喷涂设备的送粉速率为40～42g/min，喷涂距离为80～100mm，电弧电压为50～52V，电弧电流为500～520A，喷枪移动速度为50～80cm/s，载粉气速率为8～10slpm。
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