CN108401546B - 氧化铬-氧化铝/镍铬双层结构耐磨复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氧化铬-氧化铝复合涂层及其制备方法，本发明所提供的氧化铬-氧化铝复合涂层的制备方法包括：步骤一、对金属基材进行预处理，包括：对金属基材预处理的表面进行粗糙化和净化处理；步骤二、采用等离子体喷涂工艺在金属基材表面喷涂氧化铬-氧化铝复合涂层，所述等离子体喷涂工艺的工艺参数为：等离子气体流量为氩气40～50slpm，氢气7～12slpm，电流630～680A，功率45～50kW，喷涂距离100～120mm。通过本发明可以提高复合涂层的热导率，从而提高复合涂层的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及氧化铬-氧化铝/镍铬双层结构耐磨复合涂层及其制备方法，属于耐磨涂层制备技术领域。
背景技术
高PV值(P是接触压强；V是摩擦速率)磨损工况(通常指PV＞15MPa·m/s)，如液氧/煤油火箭发动机涡轮泵及氧泵端面动密封、民用高端泵动密封及航空自润滑关节轴承服役等，在上述应用条件下摩擦副材料将会承受大的压力、高的摩擦速率及由此而产生的高摩擦热(摩擦副最高表面温度接近甚至超过1000℃)、剧烈的热冲击，因而要求相应摩擦材料需具备高强度、优异的耐高温和抗氧化性能、良好的导热性能、抗热冲击性能、耐磨损以及良好的机械加工性能等。金属材料熔点较低，耐热温度不高，且高温磨损条件下表面损失较为严重；高分子材料高温时发生蠕变和应力松弛，其使用温度不超过300℃；陶瓷材料虽然具有较好的耐高温性能和机械强度，但其塑韧性低且机械加工困难；石墨类材料耐热温度高，易加工，但机械强度低。以上分析表明：单一材料已无法满足高PV值苛刻磨损工况下的使用要求。有效方法是采用高强度、高耐热金属材料作为基材，在其摩擦表面制备与基材结合良好的耐磨陶瓷涂层。这种方法将金属的塑韧性好、易机械加工和陶瓷的高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点相结合，有望获得较好的耐磨效果。
热喷涂技术以其喷涂材料范围广泛、工艺稳定性好、涂层质量可靠、涂层厚度可控等优势成为制备陶瓷涂层的有效工艺方法。热喷涂技术制备的氧化物和碳化物陶瓷涂层可满足多种工况条件的耐磨和密封要求，主要有：Cr2O3、Al2O3、Al2O3/TiO2、WC-Co、NiCr-Cr3C2等。高PV值摩擦磨损服役条件常伴随高温、强氧化、强热震等复合工况。碳化物耐磨陶瓷材料的高温抗氧化性能较差，不适合于上述高热、富氧的应用环境；而氧化物耐磨陶瓷材料(如Cr2O3、Al2O3等)具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等特点，表现出较好的综合性能。但如何提高涂层的耐磨性能，以适应高PV值苛刻磨损工况依然是一个亟需解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种氧化铬-氧化铝复合涂层及其制备方法，以解决现有涂层在高PV值苛刻磨损工况所面临的不足。
为解决所述问题，本发明提供一种氧化铬-氧化铝复合涂层，所述复合涂层的制备材料为粒径为15～45μm的氧化铬(Cr2O3)粉料与粒径为15～45μm的氧化铝(Al2O3)粉料的复合粉料，其中所述氧化铬粉料的质量分数为50％～90％。
进一步，所述复合涂层的厚度为250～400μm。
进一步，所述复合涂层和金属基材之间还包括应力过渡层，所述应力过渡层的材料为镍铬合金。
进一步，所述复合涂层采用等离子体喷涂工艺形成。
进一步，所述复合涂层中，氧化铬的质量含量为50％～90％。
本发明还提供一种氧化铬-氧化铝复合涂层的制备方法，包括：
步骤一、对金属基材进行预处理，包括：对金属基材预处理的表面进行粗糙化和净化处理；
步骤二、采用等离子体喷涂工艺在金属基材表面喷涂氧化铬-氧化铝复合涂层，所述等离子体喷涂工艺的工艺参数为：等离子气体流量为氩气40～50slpm，氢气7～12slpm，电流630～680A，功率45～50kW，喷涂距离100～120mm。
进一步，还包括：在喷涂所述复合涂层之前，在所述金属基材表面喷涂应力过渡层，所述应力过渡层的材料为镍铬合金，喷涂工艺参数为等离子气体流量为氩气50～70slpm，氢气7～12slpm，电流550～650A，功率40～46kW，喷涂距离95～135mm。
进一步，所述等离体喷涂工艺的原料为粒径为15～45μm的氧化铬粉料与粒径为15～45μm的氧化铝粉料的复合粉料，其中所述氧化铬粉料的质量分数为50％～90％。
进一步，所述复合涂层的厚度为250～400μm，应力过渡层的厚度为40～100μm。
进一步，所述金属基材表面的粗糙度Ra为5～10μm。
研究表明：高PV值摩擦磨损条件下，摩擦产生的热量骤增，涂层热导率越高，也就越容易将这些热量传递给金属基材，并向周边环境散热，从而有效控制摩擦表面与金属基材之间的温度梯度，涂层与基材之间由于热膨胀系数差异产生的热应力就较小，涂层不容易开裂或剥落；反之，应力集中易造成涂层内部的微裂纹迅速扩展，在疲劳磨损过程中，涂层很容易发生开裂和剥落，导致其耐磨性能急剧降低。
本发明的优点包括：利用Cr2O3和α-Al2O3的相同晶体结构和Cr3+与Al3+相近的离子半径，及其相互固溶的特点，设计Cr2O3-Al2O3复合涂层，并利用等离子体的高温热源通过异质形核和部分固溶形成涂层，降低气孔率，提高声子导热，改善涂层耐磨性能。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的氧化铬-氧化铝复合涂层的热导率；
图2是本发明的实施例所提供的氧化铬-氧化铝复合涂层/石墨摩擦副平均摩擦系数(500N，0.84m·s-1，干摩擦)；
图3是本发明的实施例所提供的氧化铬-氧化铝复合涂层/石墨摩擦副平均磨损率(500N，0.84m·s-1，干摩擦)；
图4是本发明的实施例所提供的氧化铬-氧化铝复合涂层/石墨摩擦副平均摩擦系数(1000N，0.84m·s-1，干摩擦)；
图5是本发明的实施例所提供的氧化铬-氧化铝复合涂层/石墨摩擦副平均磨损率(1000N，0.84m·s-1，干摩擦)；
图6是本发明的实施例所提供的氧化铬-氧化铝复合涂层/石墨摩擦副平均磨损表面温度(1000N，0.84m·s-1，干摩擦)；
注：复合粉料中Cr2O3的质量分数分别为50％和90％，所获得等离子体喷涂涂层分别为AC50和AC90复合涂层。磨损试验采用环-块接触方式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供的氧化铬-氧化铝复合涂层的制备方法，包括：
步骤一、金属基材预处理
金属基材预处理，即将欲喷涂的金属基材表面进行粗糙化和净化处理。
粗糙化过程用刚玉砂喷砂处理，增加金属基材表面粗糙度，粗糙度Ra为5～10μm，确保涂层与基材的良好接触。
净化可采用超声波清洗，是为了净化金属基材表面，减少粘附颗粒等，进一步增强金属基材与金属过渡层的结合性能。
步骤二、在金属基材表面等离子体喷涂NiCr应力过渡层
喷涂的工艺参数为：等离子气体流量为氩气50～70升/分(slpm)，氢气7～12slpm，电流550～650A，功率40～46kW，喷涂距离95～135mm。
步骤三、等离子体喷涂Cr2O3-Al2O3耐磨复合涂层
以等离子气体流量为氩气40～50slpm，氢气7～12slpm，电流630～680A，功率45～50kW，喷涂距离100～120mm的工艺参数喷涂复合粉料，所述复合粉料由粒径为15～45μm的氧化铬粉料与粒径为15～45μm的氧化铝粉料组成。
步骤四：根据实际要求对所述复合涂层进行磨抛光，加工至合适的涂层厚度和表面粗糙度。
上述喷涂工艺参数以Sulzer Metco公司的F4-MB喷枪为基准列示。
本发明所获得的Cr2O3-Al2O3复合涂层，在高PV值磨损工况下具有比单一Al2O3和Cr2O3涂层更低的摩擦系数、磨损率和摩擦表面温度，显示出较好的耐磨性能。
实施例1
在圆环表面采用等离子体喷涂工艺制备60μm厚NiCr合金层和320μm厚AC50复合涂层(原始复合粉料中Cr2O3粉料的质量分数为50wt％的氧化铬-氧化铝复合涂层)，而后对所述复合涂层进行磨抛光加工。喷涂工艺参数如表1所示。同时，采用相同方法制备Al2O3和Cr2O3涂层磨环。AC50复合涂层的平均热导率(200～400℃)为3.75W·m-1·k-1。复合涂层导热性能优于Al2O3涂层和Cr2O3涂层(此两涂层的平均热导率(200～400℃)分别为2.93W·m-1·k-1和2.57W·m-1·k-1)，而其显微硬度为10.87GPa比Cr2O3涂层(显微硬度为11.18GPa)低。在环-块接触摩擦磨损试验中(载荷500N，线速度0.84m·s-1，磨损时间1.25h，对磨块为石墨)，与Al2O3涂层/石墨摩擦副和Cr2O3涂层/石墨摩擦副相比，AC50复合涂层/石墨摩擦副具有较低的摩擦系数(μ＝0.13)和磨损率(涂层磨损率为7.8×10-3g·h-1，石墨磨损率为3.1×10-3g·h-1)。具体可见图1，图2和图3。
实施例2
在圆环表面采用等离子体喷涂工艺制备60μm厚NiCr合金层和320μm厚AC90复合涂层(原始复合粉料中Cr2O3质量分数为90wt％的氧化铬-氧化铝复合涂层)，而后对所述涂层进行磨抛光加工。喷涂工艺参数如表1所示。同时，采用相同方法制备其它涂层磨环。AC90复合涂层的平均热导率(200～400℃)为3.9W·m-1·k-1。复合涂层导热性能优于Al2O3，Cr2O3和AC50涂层(见图1)，而其断裂韧性为3.05MPa·m-1/2比Al2O3和AC50涂层(两者断裂韧性分别为3.18MPa·m-1/2和3.72MPa·m-1/2)低。在环-块接触摩擦磨损试验中(载荷500N，线速度0.84m·s-1，磨损时间1.25h，对磨块为石墨)，与Al2O3涂层/石墨摩擦副，Cr2O3涂层/石墨摩擦副和AC50复合涂层/石墨摩擦副相比，AC90复合涂层/石墨摩擦副具有较稳定的摩擦系数和较低的磨损率(涂层磨损率为4.0×10-3g·h-1，石墨磨损率为1.9×10-3g·h-1)。具体可见图2和图3。
实施例3
在圆环表面采用等离子体喷涂工艺制备60μm厚NiCr合金层和320μm厚AC70复合涂层(原始复合粉料中Cr2O3质量分数为70wt％)，而后对复合涂层进行磨抛光加工。喷涂工艺参数如表1所示。同时，采用相同方法制备其它涂层磨环。AC70复合涂层的平均热导率(200～400℃)为3.81W·m-1·k-1。复合涂层导热性能优于Al2O3，Cr2O3和AC50涂层，而其断裂韧性为3.3MPa·m-1/2比AC50复合涂层低。在环-块接触摩擦磨损试验中(载荷500N，线速度0.84m·s-1，磨损时间1.25h，对磨块为石墨)，与AC50复合涂层/石墨摩擦副相比，AC70复合涂层/石墨摩擦副具有较稳定的摩擦系数和较低的磨损率(涂层磨损率为5.6×10-3g·h-1，石墨磨损率为2.4×10-3g·h-1)。
实施例4
在圆环表面采用等离子体喷涂工艺制备75μm厚NiCr合金层和380μm厚AC50复合涂层，而后对复合涂层进行磨抛光加工。喷涂工艺参数如表2所示。同时，采用相同方法制备其它涂层磨环。在环-块接触摩擦磨损试验中(载荷1000N，线速度0.84m·s-1，磨损时间1h，对磨块为石墨)，与Al2O3涂层/石墨摩擦副相比，AC50复合涂层/石墨摩擦副具有较低的摩擦系数(μ＝0.105)，磨损率(涂层磨损率为5.4×10-3g·h-1，石墨磨损率为5.1×10-3g·h-1)和磨损表面温度。具体可见图4，图5和图6。较低的磨损表面温度有利于在涂层表面形成有效、稳定石墨转移膜，显示较优良摩擦学特性。
实施例5
在圆环表面采用等离子体喷涂工艺制备75μm厚NiCr合金层和380μm厚AC90复合涂层，而后对复合涂层进行磨抛光加工。喷涂工艺参数如表2所示。同时，采用相同方法制备其它涂层磨环。在环-块接触摩擦磨损试验中(载荷1000N，线速度0.84m·s-1，磨损时间1h，对磨块为石墨)，与Al2O3涂层/石墨摩擦副和AC50复合涂层/石墨摩擦副相比，AC90复合涂层/石墨摩擦副具有较低的摩擦系数(μ＝0.07)，磨损率(涂层磨损率为2.6×10-3g·h-1，石墨磨损率为4.3×10-3g·h-1)和磨损表面温度。具体可见图4，图5和图6。由此可见，在高PV值条件下，涂层导热性能是影响其耐磨性能的重要因素。
对比例1
Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)陶瓷其断裂韧性值为6MPa·m1/2，α-Al2O3陶瓷断裂韧性值为4.9MPa·m1/2，在环-块接触摩擦磨损试验中(载荷300N，线速度0.84m/s，滑动距离1764m，对磨块为不锈钢)，后者磨损率更低为0.94×10-5mm3N-1m-1，而YSZ磨损率为15.67×10-5mm3N-1m-1。主要原因是α-Al2O3陶瓷比YSZ陶瓷具有更好的导热性能。由此证明：高PV值条件下，断裂韧性不是影响氧化物陶瓷耐磨性能的关键因素。热导率才是影响其耐磨性能的关键因素。
对比例2
温和磨损条件下，Cr2O3涂层耐磨性能优于Al2O3涂层，原因是前者具有更高的显微硬度值。然而，在高PV值条件下，后者表现出较好的摩擦学特性。在环-块接触摩擦磨损试验中(载荷500N，线速度0.84m/s，滑动距离6048m，对磨块为粉末冶金CuC)，与Cr2O3涂层摩擦副相比，Al2O3涂层摩擦副摩擦系数较低且较稳定，磨损率也较小。Cr2O3涂层显微硬度为13.7GPa，热导率为2.2W·m-1·K-1；Al2O3涂层显微硬度为10.3GPa，热导率为3.0W·m-1·K-1。由此说明：高PV值条件下，氧化物陶瓷涂层的显微硬度不是影响其耐磨性能的关键因素。热导率才是影响其耐磨性能的关键因素。
表1 等离子体喷涂工艺参数
| 参数 | NiCr | Cr2O3-Al2O3 |
| 氩气(slpm) | 57 | 49 |
| 氢气(slpm) | 8 | 7 |
| 电流(A) | 600 | 660 |
| 功率(kW) | 42 | 47 |
| 喷涂距离(mm) | 120 | 110 |
表2 等离子体喷涂工艺参数
| 参数 | NiCr | Cr2O3-Al2O3 |
| 氩气(slpm) | 59 | 49 |
| 氢气(slpm) | 7 | 8 |
| 电流(A) | 610 | 650 |
| 功率(kW) | 42 | 47 |
| 喷涂距离(mm) | 115 | 115 |
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种氧化铬-氧化铝/镍铬双层结构耐磨复合涂层，其特征在于，氧化铬-氧化铝复合涂层的制备材料为粒径为15～45μm的氧化铬粉料与粒径为15～45μm的氧化铝粉料的复合粉料，其中所述氧化铬粉料的质量分数为90％；在所述氧化铬-氧化铝复合涂层和金属基材之间包括应力过渡层，所述应力过渡层的材料为镍铬合金；所述氧化铬-氧化铝复合涂层的厚度为250～400μm；
对金属基材进行预处理；
在所述金属基材表面喷涂应力过渡层，所述应力过渡层的材料为镍铬合金，喷涂工艺参数为等离子气体流量为氩气50～70slpm，氢气7～12slpm，电流550～650A，功率40～46kW，喷涂距离95～135mm；采用等离子体喷涂工艺在应力过渡层上喷涂氧化铬-氧化铝复合涂层，所述等离子体喷涂工艺的工艺参数为：等离子气体流量为氩气40～50slpm，氢气7～12slpm，电流630～680A，功率45～50kW，喷涂距离100～120mm。
2.一种如权利要求1所述的氧化铬-氧化铝/镍铬双层结构耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、对金属基材进行预处理，包括：对金属基材预处理的表面进行粗糙化和净化处理；
步骤二、在所述金属基材表面喷涂应力过渡层，所述应力过渡层的材料为镍铬合金，喷涂工艺参数为等离子气体流量为氩气50～70slpm，氢气7～12slpm，电流550～650A，功率40～46kW，喷涂距离95～135mm；
步骤三、采用等离子体喷涂工艺在应力过渡层上喷涂氧化铬-氧化铝复合涂层，所述等离子体喷涂工艺的工艺参数为：等离子气体流量为氩气40～50slpm，氢气7～12slpm，电流630～680A，功率45～50kW，喷涂距离100～120mm。
3.依据权利要求2所述的一种氧化铬-氧化铝/镍铬双层结构耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于，所述金属基材表面的粗糙度为5～10μm。
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