CN108441734A - 一种wc新型复合润滑涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种WC新型复合润滑涂层及其制备方法，属于耐高温复合润滑材料领域，特别适用于制备高温条件下的箔片空气轴承轴颈表面的耐热耐磨润滑涂层。该涂层包含WC‑Co，Ag，BaF2，CaF2，成分重量比为：WC：68%~72%，Co：8%~12%，Ag：9%~11%，BaF2：4%~6%，CaF2：4%~6%。其中需要将BaF2，CaF2制成共晶粉末，用行星式球磨机对上述10~100 um的WC‑Co，Ag，BaF2/CaF2共晶粉末进行球磨，获得粒度10‑50 um的复合粉末，用等离子喷涂方式在金属基体上制成颗粒分布均匀的复合涂层。在进行摩擦磨损实验时，本发明的涂层在200℃~600℃时，摩擦系数得到显著降低，磨损性能增强，可以延长箔片空气轴承的使用寿命以及降低维护费用。
Description
技术领域
本发明属于耐高温复合润滑材料领域，涉及一种WC新型复合润滑涂层及其制备方法。
背景技术
箔片空气轴承是动压气体轴承的重要形式之一，是一种以柔性表面为支承的自作用式流体动压轴承，它主要由四部分构成：波箔片、平箔片、轴承座和转子。与传统的动压气体轴承相比，箔片空气轴承具有运行寿命长、可靠性高、承载能力大、启停性能好、耐高温能力强和转速高等特点。目前，箔片空气轴承已经在高温高速旋转机械中得到了成功的应用，例如空气制冷机，辅助能量单元和各类小型透平压缩机及航空机械。
箔片空气轴承技术进步和发展的关键技术之一是高温启停时的润滑。在正常高速运转中，轴颈和平箔片表面之间形成动压气膜，将轴颈和平箔片隔离，理论上不存在固体接触，因此稳定运行时箔片空气轴承几乎不存在磨损。但是当箔片空气轴承在启停阶段运行时，转子转速低于轴承的起飞临界转速，轴颈和平箔片之间无法形成有效的动压气膜，导致箔片空气轴承的平箔片表面和轴颈表面处于干摩擦状态，这种接触摩擦状态，会导致轴承轴颈和平箔片表面的磨损，带来启动力矩大的问题，减少箔片空气轴承的使用寿命，当平箔片磨损超过其厚度的25%时，以及当轴颈的磨损超过0.025 mm时，此箔片空气轴承已经失效。
因此，必须提供一种固体润滑剂来减小箔片空气轴承的摩擦和磨损。传统的固体润滑剂（如MoS2、石墨、PTFE）的使用温度被局限在300 ℃左右，为了满足箔片空气轴承的使用温度，NASA格林研究中心从1995年开始致力于高温固体自润滑系列涂层研究。高温固体自润滑涂层（PS304）是采用等离子喷涂技术制备的复合涂层，表现出了极好的附着性和摩擦磨损性能，已成为箔片空气轴承用涂层的首选，其成分由60%NiCr、20%Cr2O3、10%Ag和10%BaF2/CaF2共晶体所组成，其中NiCr为粘合剂，Cr2O3为硬化剂和高温润滑剂，Ag为低温润滑剂且可提高涂层的热稳定性，BaF2/CaF2共晶为高温润滑剂。但PS304涂层存在显微组织不均匀、强度低等严重的不足，易造成涂层在使用过程中过早地被剥离脱落而失去润滑作用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种WC新型复合润滑涂层及其制备方法，特别适用于制备高温条件下的箔片空气轴承轴颈表面的耐热耐磨润滑涂层。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种WC新型复合润滑涂层，按重量百分比表示，该涂层的组份包括：WC：68%~72%，Co：8%~12%，Ag：9%~11%，BaF2：4%~6%，CaF2：4%~6%。
一种生产权利要求1所述的WC新型复合润滑涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）BaF2/CaF2共晶粉末制备
将BaF2、CaF2混合研磨成粉末，将所述粉末干燥，干燥后的粉末放在真空条件下加热，加热结束后真空冷却至室温，得到块状BaF2/CaF2共晶，将所述块状BaF2/CaF2共晶研磨、过筛得到BaF2/CaF2共晶粉末；
（2）将步骤（1）得到的BaF2/CaF2共晶粉末与WC-Co、Ag粉末混合研磨、干燥得到复合粉末，所述复合粉末即为润滑涂层材料；
（3）将步骤（2）所述润滑涂层材料喷涂在基体上得到复合润滑涂层。
进一步的，步骤（1）中干燥温度为60 ℃-100 ℃，干燥时间为1-6 h；所述加热条件为以5-15 ℃/min的升温速率加热到800-1500 ℃，保温1-4 h。
进一步的，步骤（2）中干燥温度为60 ℃-120 ℃，干燥时间为4-8 h。
进一步的，步骤（1）中过筛得到的BaF2/CaF2共晶粉末粒度为45～48 um；步骤（2）中得到的复合粉末粒径10-50 um。
进一步的，步骤（3）所述喷涂采用等离子喷涂法，所述基体为箔片空气轴承的轴颈，喷涂后得到的复合润滑涂层的颗粒粒径为10-50 um。
进一步的，原料WC-Co 、Ag 、BaF2、CaF2的粒度要求为10-100 um。
本发明的有益效果：本发明通过调整涂层材料的成分及配比，得到的涂层材料性能与PS304涂层性能接近，但由于涂层颗粒粒径更小，使得该涂层的显微组织更加均匀，强度更高；且在使用过程中，由于该涂层具有高强度、高致密性特点，使得该涂层不会过早地被剥离脱落而失去润滑作用；在进行摩擦磨损实验时，本发明的涂层在200~600 ℃时，摩擦系数得到显著降低，磨损性能增强，可以延长箔片轴承的使用寿命以及降低维护费用。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的实施方式作进一步的描述。
实施例1
首先将纯度大于99.0%、尺寸为10~100 um的WC-Co 、Ag 、BaF2、CaF2粉末按WC：68%，Co：12%，Ag：9%，BaF2：5%，CaF2：6%比例分配；然后制备BaF2/CaF2共晶粉末，将BaF2、CaF2放置于尼龙球磨罐中，然后在行星式球磨机上球磨3 h，球磨机转速为300 r/min。球磨结束后将混合后的粉末放入电热恒温鼓风干燥箱中80 ℃干燥4 h。将干燥后的混合粉末放在石墨坩埚中，然后放置于真空炉中，在真空状态下进行加热，以10 ℃/min的升温速率加热到1100℃，保温2 h后真空冷却至室温，得到块状BaF2/CaF2共晶，使用机械破碎块状共晶，然后使用陶瓷研钵手工研磨，过筛得到粒度为45～48 um的BaF2/CaF2共晶粉末；将上述WC-Co，Ag和BaF2/CaF2共晶粉末放入尼龙球磨罐中，在行星式球磨机上球磨混合12 h，球磨机转速为300r/min。将混合后的粉末放入型号为电热恒温鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，得到的复合粉末粒径10-50 um，以该复合粉末作为等离子喷涂用的原料；将获得的复合粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得颗粒粒径为10-50 um且分布均匀的复合润滑涂层。
实施例2
首先将纯度大于99.0%、尺寸为10~100 um的WC-Co 、Ag 、BaF2、CaF2粉末按WC：70%，Co：10%，Ag：10%，BaF2：4%，CaF2：6%比例分配；然后制备BaF2/CaF2共晶粉末，将BaF2、CaF2放置于尼龙球磨罐中，然后在行星式球磨机上球磨5 h，球磨机转速为500 r/min。球磨结束后将混合后的粉末放入电热恒温鼓风干燥箱中60 ℃干燥6 h。将干燥后的混合粉末放在石墨坩埚中，然后放置于真空炉中，在真空状态下进行加热，以5 ℃/min的升温速率加热到1200 ℃，保温1 h后真空冷却至室温，得到块状BaF2/CaF2共晶，使用机械破碎块状共晶，然后使用陶瓷研钵手工研磨，过筛得到粒度为45～48 um的BaF2/CaF2共晶粉末；将上述WC-Co、Ag和BaF2/CaF2共晶粉末放入尼龙球磨罐中，在行星式球磨机上球磨混合15 h，球磨机转速为500r/min。将混合后的粉末放入型号为电热恒温鼓风干燥箱中60 ℃干燥8 h，得到的复合粉末粒径10-50 um，以该复合粉末作为等离子喷涂用的原料；将获得的复合粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得颗粒粒径为10-50 um且分布均匀的复合润滑涂层。
实施例3
首先将纯度大于99.0%、尺寸为10~100 um的WC-Co、Ag、BaF2、CaF2粉末按WC：72%，Co：8%，Ag：11%，BaF2：4%，CaF2：5%比例分配；然后制备BaF2/CaF2共晶粉末，将BaF2、CaF2放置于尼龙球磨罐中，然后在行星式球磨机上球磨6 h，球磨机转速为800 r/min。球磨结束后将混合后的粉末放入电热恒温鼓风干燥箱中70 ℃干燥5 h。将干燥后的混合粉末放在石墨坩埚中，然后放置于真空炉中，在真空状态下进行加热，以10 ℃/min的升温速率加热到1500℃，保温1 h后真空冷却至室温，得到块状BaF2/CaF2共晶，使用机械破碎块状共晶，然后使用陶瓷研钵手工研磨，过筛得到粒度为45～48 um的BaF2/CaF2共晶粉末；将上述WC-Co、Ag和BaF2/CaF2共晶粉末放入尼龙球磨罐中，在行星式球磨机上球磨混合16 h，球磨机转速为800r/min。将混合后的粉末放入型号为电热恒温鼓风干燥箱中120 ℃干燥4 h，得到的复合粉末粒径10-50 um，以该复合粉末作为等离子喷涂用的原料；将获得的复合粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得颗粒粒径为10-50 um且分布均匀的复合润滑涂层。
实施例4
首先将纯度大于99.0%、尺寸为10~100 um的WC-Co 、Ag 、BaF2、CaF2粉末按WC：70.4%，Co：9.6%，Ag：10%，BaF2：5.0%，CaF2：5.0%比例分配；然后制备BaF2/CaF2共晶粉末，将BaF2、CaF2放置于尼龙球磨罐中，然后在行星式球磨机上球磨10 h，球磨机转速为300 r/min。球磨结束后将混合后的粉末放入电热恒温鼓风干燥箱中60 ℃干燥6 h。将干燥后的混合粉末放在石墨坩埚中，然后放置于真空炉中，在真空状态下进行加热，以15 ℃/min的升温速率加热到800 ℃，保温4 h后真空冷却至室温，得到块状BaF2/CaF2共晶，使用机械破碎块状共晶，然后使用陶瓷研钵手工研磨，过筛得到粒度为45～48 um的BaF2/CaF2共晶粉末；将上述WC-Co、Ag和BaF2/CaF2共晶粉末放入尼龙球磨罐中，在行星式球磨机上球磨混合12 h，球磨机转速为300 r/min。将混合后的粉末放入型号为电热恒温鼓风干燥箱中100 ℃干燥5 h，得到的复合粉末粒径10-50 um，以该复合粉末作为等离子喷涂用的原料；将获得的复合粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得颗粒粒径为10-50 um且分布均匀的复合润滑涂层。
实施例5
首先将纯度大于99.0%、尺寸为10~100 um的WC-Co 、Ag 、BaF2、CaF2粉末按WC：71.4%，Co：8.6%，Ag：10%，BaF2：6.0%，CaF2：4.0%比例分配；然后制备BaF2/CaF2共晶粉末，将BaF2、CaF2放置于尼龙球磨罐中，然后在行星式球磨机上球磨3 h，球磨机转速为300 r/min。球磨结束后将混合后的粉末放入电热恒温鼓风干燥箱中80 ℃干燥4 h。将干燥后的混合粉末放在石墨坩埚中，然后放置于真空炉中，在真空状态下进行加热，以12 ℃/min的升温速率加热到1000 ℃，保温3 h后真空冷却至室温，得到块状BaF2/CaF2共晶，使用机械破碎块状共晶，然后使用陶瓷研钵手工研磨，过筛得到粒度为45～48 um的BaF2/CaF2共晶粉末；将上述WC-Co、Ag和BaF2/CaF2共晶粉末放入尼龙球磨罐中，在行星式球磨机上球磨混合12 h，球磨机转速为300 r/min。将混合后的粉末放入型号为电热恒温鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，得到的复合粉末粒径10-50 um，以该复合粉末作为等离子喷涂用的原料；将获得的复合粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得颗粒粒径为10-50 um且分布均匀的复合润滑涂层。
实施例6
首先将纯度大于99.0%、尺寸为10~100 um的WC-Co 、Ag 、BaF2、CaF2粉末按WC：69.0%，Co：11.0%，Ag：10%，BaF2：4.0%，CaF2：6.0%比例分配；然后制备BaF2/CaF2共晶粉末，将BaF2、CaF2放置于尼龙球磨罐中，然后在行星式球磨机上球磨10 h，球磨机转速为400 r/min。球磨结束后将混合后的粉末放入电热恒温鼓风干燥箱中100 ℃干燥1 h。将干燥后的混合粉末放在石墨坩埚中，然后放置于真空炉中，在真空状态下进行加热，以10 ℃/min的升温速率加热到1100 ℃，保温3 h后真空冷却至室温，得到块状BaF2/CaF2共晶，使用机械破碎块状共晶，然后使用陶瓷研钵手工研磨，过筛得到粒度为45～48 um的BaF2/CaF2共晶粉末；将上述WC-Co、Ag和BaF2/CaF2共晶粉末放入尼龙球磨罐中，在行星式球磨机上球磨混合12 h，球磨机转速为300 r/min。将混合后的粉末放入型号为电热恒温鼓风干燥箱中70 ℃干燥7 h，得到的复合粉末粒径10-50 um，以该复合粉末作为等离子喷涂用的原料；将获得的复合粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得颗粒粒径为10-50 um且分布均匀的复合润滑涂层。
本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中，因此，本发明不受本实施例的限制，任何采用等效替换取得的技术方案均在本发明保护的范围内。
Claims (7)
1.一种WC新型复合润滑涂层，其特征在于，按重量百分比表示，该涂层的组份包括：WC：68%~72%，Co：8%~12%，Ag：9%~11%，BaF2：4%~6%，CaF2：4%~6%。
2.一种生产权利要求1所述的WC新型复合润滑涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）BaF2/CaF2共晶粉末制备
将BaF2、CaF2混合研磨成粉末，将所述粉末干燥，干燥后的粉末放在真空条件下加热，加热结束后真空冷却至室温，得到块状BaF2/CaF2共晶，将所述块状BaF2/CaF2共晶研磨、过筛得到BaF2/CaF2共晶粉末；
（2）将步骤（1）得到的BaF2/CaF2共晶粉末与WC-Co、Ag粉末混合研磨、干燥得到复合粉末，所述复合粉末即为润滑涂层材料；
（3）将步骤（2）所述润滑涂层材料喷涂在基体上得到复合润滑涂层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中干燥温度为60 ℃-100 ℃，干燥时间为1-6 h；所述加热条件为以5-15 ℃/min的升温速率加热到800-1500 ℃，保温1-4 h。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中干燥温度为60 ℃-120 ℃，干燥时间为4-8 h。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中过筛得到的BaF2/CaF2共晶粉末粒度为45～48 um；步骤（2）中得到的复合粉末粒径10-50 um。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述喷涂采用等离子喷涂法，所述基体为箔片空气轴承的轴颈，喷涂后得到的复合润滑涂层的颗粒粒径为10-50 um。
7.根据权利要求2-6任一项所述的制备方法，其特征在于，原料WC-Co 、Ag 、BaF2、CaF2的粒度要求为10-100 um。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180824 |