CN107868926A

CN107868926A - 一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法

Info

Publication number: CN107868926A
Application number: CN201711158392.4A
Authority: CN
Inventors: 贾均红; 易戈文; 王新鹏; 陕钰; 刘维民; 史苏存
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2037-11-20
Also published as: CN107868926B

Abstract

本发明公开了一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法。该方法采用等离子热喷涂设备，依次包括金属基体表面处理、在金属基体表面喷涂过渡层、在过渡层表面喷涂梯度层以及在梯度层表面喷涂面层四个步骤制备涂层。该涂层具有长期耐800℃高温/抗热震、高温润滑防粘/抱死、高承载、抗烧蚀和高温抗微动磨损及良好机加工性能等特点，可提高重载高温机构零部件的使用可靠性和寿命，满足苛刻工况条件下机械部件表面防护的实际工程应用需要。

Description

一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法，特别是涉及800℃以上微动金属部件表面的高温润滑防粘、抗烧蚀和抗微动磨损，属于复合材料及涂层技术领域。

背景技术

能源化工、核电、舰船及航空等领域的高温机械部件，如大型煤化工重载高温热解炉的铰接、回转/传动等核心机构，既承担炉体及物料重力，同时要满足内外炉体的轴向、径向相对运动及金属部件的相对滑移微动，且长期处于重载（＞70吨）和高温（≥800℃）工况，导致金属部件（连杆/销轴、回转关节）频繁出现高温粘结/卡滞、烧蚀或剧烈高温微动磨损（偏磨、细颈）等问题，造成设备运行失稳和停转，甚至损坏，给生产带来重大安全隐患和经济损失。

在已有的防粘抗磨技术中，采用如CN105969090A中的耐高温保护涂料，主要是保护钛锭在1000℃下恒温8h表面不被氧化开裂，但因涂层中的环氧树脂等聚合物在300℃以上碳化或粉化，导致寿命仅几小时；采用表面镀银，因银在600℃左右软化而导致防粘失效；采用磷酸盐复合固体润滑剂（石墨、二硫化钼等）涂料，如CN106336692A、CN102532962A，则由于磷酸盐的高温脆性和涂层厚度局限性使其承载性能差，及石墨和二硫化钼在400℃以上被氧化等原因，导致其无法在重载高温工况中长期使用；采用微弧氧化技术，如CN101092732A，在锆合金表面制备40～100ｕm氧化锆-氧化铝双相梯度陶瓷厚涂层，可提高人工关节在低温下的耐磨寿命，但因涂层缺乏高温自润滑性而使其高温防粘抗磨性能差。采用热喷涂技术，如CN103103470B涉及在塑料或高分子胚件上热喷涂制备防粘厚涂层，可降低高分子材料与涂层发生粘连的可能性，主要是用于克服特富龙等中低温涂层不耐磨、易变形的缺点，但该涂层缺乏高温（400℃～800℃及以上）自润滑性，因而其在金属表面间难以实现高温润滑防粘和抗高温微动磨损；而CN104357792B发明的一种钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层，因采用六方氮化硼作为高温润滑剂，使涂层在450℃及600℃的1200个摩擦周期后具有较低滑动摩擦系数(≤0.4 )，但其抗微动磨损寿命（摩擦周期或循环）并不明显。

因此对于高温应用，特别是长期处于800℃和重载工况中的金属机械部件表面，需要解决其长寿命的高温润滑防粘、抗烧蚀和高温微动抗磨损等问题。

发明内容

本发明的目的在克服上述技术不足之处，针对金属部件长期处于高温和/或重载工况的应用要求，提供了一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法。

本发明采用等离子热喷涂设备，依次包括金属基体表面处理、在金属基体表面喷涂过渡层、在过渡层表面喷涂梯度层以及在梯度层表面喷涂面层四个步骤制备涂层。

一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法，其特征在于采用等离子热喷涂设备，该方法依次包括下列步骤：

1）金属基体表面处理：将洁净金属基体用80～150目的氧化铝砂，0.3～0.6 MPa压力，对金属基体的待喷涂表面进行喷砂处理，并用干燥空气吹净喷砂表面，喷砂表面需达到Sa3级；

2）在金属基体表面喷涂过渡层：在金属基体的喷砂表面上喷涂过渡层，厚度40～150ｕm；过渡层喷涂粉其组成由46～96 wt%的镍，以及余量的钼、铝、铬、钇中任意一种或多种的混合物组成，我们称为粘结剂；过渡层的等离子喷涂工艺参数为：功率25～30 kw，送粉率40～65 g/min，主气流量30～50 L/min，喷枪移动速度10 mm/s, 喷涂距离100～120 mm，冷却气体压力0.2～0.5 MPa；

3）在过渡层表面喷涂梯度层：喷完过渡层后，继续在过渡层表面喷涂梯度层，厚度40～150ｕm；梯度层喷涂粉由50～80 wt%粘结剂、0～10 wt%润滑剂以及10～40 wt%陶瓷相组成，其中粘结剂由46～96 wt%的镍，以及余量的钼、铝、铬、钇中任意一种或多种的混合物组成；润滑剂为银、氟化钙、氟化钡、钼酸银中的任意一种或多种的混合物组成；陶瓷相为三氧化二铝、三氧化二铬、碳化铬、碳化钨中的任意一种或多种的混合物；梯度层的等离子喷涂工艺参数为：功率27～35 kw，送粉率35～50 g/min，主气流量35～50 L/min，喷枪移动速度10 mm/s,喷涂距离100～120 mm，冷却气体压力0.2～0.5 MPa；

4）在梯度层表面喷涂面层：喷完梯度层后，继续在梯度层表面喷涂面层，厚度150～400ｕm；面层喷涂粉由20～55 wt%粘结剂、5～20 wt%润滑剂以及25～65 wt%陶瓷相混合组成；粘结剂由46～96 wt%的镍，以及余量的钼、铝、铬、钇中任意一种或多种的混合物组成；润滑剂为银、氟化钙、氟化钡、钼酸银中的任意一种或多种的混合物；陶瓷相为三氧化二铝、三氧化二铬、碳化铬、碳化钨中的任意一种或多种的混合物；面层的等离子喷涂工艺参数为：功率30～45 kw，送粉率25～40 g/min，主气流量40～60 L/min，喷枪移动速度10 mm/s,喷涂距离100～120 mm，冷却气体压力0.2～0.5 MPa。

该涂层具有长期耐800℃高温/抗热震、高温润滑防粘/抱死、高承载、抗烧蚀和高温抗微动磨损及良好机加工性能等特点，可提高重载高温机构零部件的使用可靠性和寿命（往复微动摩擦循环数≥10000次），满足苛刻工况条件下机械部件表面防护的实际工程应用需要。

本发明所述的涂层包括依次形成于金属基体表面的过渡层、梯度层和面层，所述的过渡层用于粘结金属基体和梯度层，梯度层用于粘结过渡层和面层。

所述的过渡层由粘结剂组成，梯度层由占梯度层质量百分比为50～80%的粘结剂、0～10%润滑剂和10～40%陶瓷相组成，面层由占面层质量百分比为20～55%粘结剂、5～20%润滑剂和25～65%陶瓷相混合组成。

本发明所述的金属基体为主要含有镍基、铁基或钛基的合金基体。

本发明所述的步骤2）中，过渡层喷涂粉粒径为-110+45ｕm。

本发明所述的步骤3）中，梯度层喷涂粉粒径为-110+15ｕm。

本发明所述的步骤4）中，面层喷涂粉粒径为-110+15ｕm。

本发明也可以采用等离子喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂等热喷涂方法在金属基体表面喷涂形成。

本发明得到的高温润滑防粘抗磨涂层与耐高温金属或陶瓷（氧化铝、氮化硅）作配副时，在800℃的微动抗磨寿命（往复微动摩擦循环数）≥10000次。

本发明涂层的性能：孔隙率≤10%，硬度Hv 200～600，结合强度30～50 MPa；涂层厚度为100～700ｕm；抗热震性：升温至800℃保温2小时后空冷至室温，重复10～150次，涂层应无裂纹、剥离或翘起，结合强度≥15 MPa；800℃高温微动防粘/抗磨寿命(栓-盘或球-盘式接触，对偶材质为高温合金或Si₃N₄，行程1 mm，速度2～5 Hz，载荷2～200 N)：微动摩擦系数≤0.5、抗磨寿命（往复微动摩擦循环数）≥10000次。涂层可机加工达到表面粗糙度Ra0.01～10ｕm。

本发明的优点：

1、本发明所述高温润滑防粘抗磨涂层，由于采用多种金属粉末作为涂层粘结剂，并依次按过渡层、梯度层和面层的涂层结构，逐层降低粘结剂含量，同时增加陶瓷相、高温固体润滑剂，通过在金属基体表面热喷涂形成固体润滑剂和陶瓷相含量按梯度增加的复合涂层结构；因而保证涂层极好的高温（≥800℃）润滑功能的同时，赋予了复合涂层的层间及相界面具有良好结合力、耐高温和抗热震性能，显著提高涂层高温防粘、抗烧蚀和抗微动磨损寿命（≥10000次）。

2、本发明中通过按梯度增加固体润滑剂含量，促使涂层表面在中低温下具有较好的润滑性，而在高温和微动摩擦作用下，接触表面的金属可发生摩擦化学反应产生具有高温润滑作用的纳米金属氧化物和双金属氧化物（如钼酸银、氧化镍、铬酸镍等），并与氟化钙、氟化钡等高温（≥800℃）润滑剂共同形成具有高温润滑/防粘、抗磨作用的保护层，可长期防止金属基体之间产生高温粘结、烧蚀和剧烈微动磨损。

本发明所述的高温润滑防粘抗磨涂层，形成于金属基体的表面，并依次包括过渡层、梯度层和面层。所述的过渡层由粘结剂组成，梯度层由占梯度层质量百分比为50～80%粘结剂、0～10%润滑剂和10～40%陶瓷相组成，面层3由占面层质量百分比为20～55%粘结剂、5～20%润滑剂和25～65%陶瓷相组成。上述的粘结剂为46～96%的镍，以及余量的钼、铝、铬、钇中任意一种或多种的混合物。上述的润滑剂为银、氟化钙、氟化钡、钼酸银中的任意一种或多种的混合物。上述的陶瓷相为三氧化二铝、三氧化二铬、碳化铬、碳化钨中的任意一种或多种的混合物。

上述的过渡层、梯度层和面层是采用等离子喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂等方法在金属基体表面喷涂形成。本发明的高温润滑防粘抗磨涂层，由于采用多种金属粉末作为涂层粘结剂，并依次按过渡层、梯度层和面层的涂层复合结构，逐层降低粘结剂含量，同时增加陶瓷相、润滑剂，使复合涂层中的润滑剂和陶瓷相含量形成逐层梯度增加，促使涂层表面具有较好的中低温润滑性，特别是在高温和微动摩擦作用下，涂层接触表面的金属可发生摩擦化学反应形成具有高温润滑作用的纳米金属氧化物和双金属氧化物，并与氟化钙、氟化钡等高温（≥800℃）润滑剂共同形成具有高温润滑/防粘、抗磨作用的保护层，保证复合涂层的层间及相界面具有良好的结合力、耐高温和抗热震性能，同时赋予涂层极好的高温自润滑性，可长期防止金属之间产生高温粘结、烧蚀，因而提高涂层在高温重载工况中的润滑防粘和抗微动磨损寿命。

本发明得到的高温润滑防粘抗磨涂层，能够用于大型煤化工重载高温热解炉内长期处于重载（＞70吨）和高温（≥800℃）工况的铰接、回转/传动等核心机构的金属部件（连杆/销轴、回转关节）表面，在其表面形成有效的高温润滑防粘和抗磨损防护，防止金属部件（连杆/销轴、回转关节）在相对滑移微动过程中频繁出现高温粘结/卡滞、烧蚀或剧烈高温微动磨损（偏磨、细颈）等问题，防止设备运行失稳、停转或损坏，避免给生产带来重大安全隐患和经济损失。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1

依次包括下列步骤：

1）金属基体表面处理：将洁净金属基体用80～150目的氧化铝砂，0.3～0.6MPa压力，对金属基体的待喷涂表面进行喷砂处理，并用干燥空气吹净喷砂表面，喷砂表面需达到Sa3级；

2）在金属基底表面喷涂过渡层：在金属基体的喷砂表面上喷涂过渡层，厚度50ｕm。过渡层喷涂粉由100%粘结剂组成，其成分是质量比为95%镍和5%铝的混合物，过渡层喷涂粉粒径为-110+45ｕm（见表1-1）。过渡层的等离子喷涂工艺参数为（见表1-2）：功率25kw，主气流量40 L/min，送粉率65 g/min，喷枪移动速度10 mm/s, 喷涂距离110 mm，冷却气体压力0.3MPa。

3）在过渡层表面喷涂梯度层：喷完过渡层后，继续在过渡层表面喷涂梯度层，厚度100ｕm。梯度层喷涂粉由质量百分比为80%粘结剂、4%润滑剂和16%陶瓷相组成，其中粘结剂组成为75%镍、4%铝、1%钼，润滑剂组成为3%银、1%氟化钙，陶瓷相组成为16%三氧化二铝，梯度层喷涂粉粒径为-110+15ｕm（见表1-1）。梯度层的等离子喷涂工艺参数为（见表1-2）：功率30 kw，主气流量50 L/min，送粉率48 g/min，喷枪移动速度10 mm/s,喷涂距离110 mm，冷却气体压力0.3 MPa。

4）在梯度层表面喷涂面层：喷完梯度层后，继续在梯度层表面喷涂面层，厚度200ｕm。面层喷涂粉由质量百分比为23%粘结剂、17%润滑剂和60%陶瓷相组成，其中粘结剂组成为19%镍、1%铝、3%钼，润滑剂组成为6%银、3%氟化钙、8%氟化钡，陶瓷相组成为60%三氧化二铝，面层喷涂粉粒径为-110+15ｕm（见表1-1）。面层等离子喷涂工艺参数为（见表1-2）：功率45 kw，主气流量60 L/min，送粉率30 g/min，喷枪移动速度10 mm/s,喷涂距离110 mm，冷却气体压力0.35 MPa。

表1-1 实施例1各层喷涂材料组成

表1-2 实施例1各层等离子喷涂工艺参数

表面喷涂实施例1涂层的高温合金圆柱（Φ80×600 mm），用于煤化工大型热解回转炉内长期处于重载高温工况的高温合金销轴表面，加工后的涂层厚度为260ｕm，表面粗糙度Ra 0.3ｕm，硬度Hv 380，结合强度32 MPa；抗热震60次无裂纹、剥离或翘起；800℃微动防粘/耐磨寿命：微动摩擦系数ｕ=0.5、抗磨寿命（往复微动摩擦循环数）达到40000次以上。

实施例2

实施步骤同实施例1，各层喷涂材料组成按表2-1，等离子喷涂工艺参数按表2-2。

表2-1 实施例2各层喷涂材料组成

表2-2 实施例2各层等离子喷涂工艺参数

表面喷涂实例2涂层的高温合金圆柱（Φ120×676 mm），用于大型煤化热解回转炉内长期处于重载和800℃烟气中的高温合金连杆表面，加工后的涂层厚度为190ｕm，表面粗糙度Ra 0.8ｕm，硬度Hv 510，结合强度40 MPa；抗热震100次无裂纹、剥离或翘起；800℃微动防粘/耐磨寿命：微动摩擦系数ｕ=0.36，抗磨寿命（往复微动摩擦循环数）达到40000次以上。

实施例3

实施步骤同实施例1，各层喷涂材料组成按表3-1，等离子喷涂工艺参数按表3-2。

表3-1实施例3各层喷涂材料组成

表3-2 实施例3各层等离子喷涂工艺参数

表面喷涂了实例3涂层的高温合金圆柱，用于大型煤化热解回转炉内长期处于重载和800℃烟气中的高温合金连杆表面，加工后的涂层厚度为400ｕm，表面粗糙度Ra 0.1ｕm，硬度Hv 420，结合强度35 MPa；抗热震80次无裂纹、剥离或翘起；800℃微动防粘/抗磨寿命：微动摩擦系数ｕ=0.38、抗磨寿命（往复微动摩擦循环数）达到10000次以上。

Claims

1.一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法，其特征在于采用等离子热喷涂设备，该方法依次包括下列步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于金属基体为主要含有镍基、铁基或钛基的合金基体。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2）中过渡层喷涂粉粒径为-110+45ｕm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于本发明所述的步骤3）中梯度层喷涂粉粒径为-110+15ｕm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于本发明所述的步骤4）中面层喷涂粉粒径为-110+15ｕm。