CN109440044A - 一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，属于耐磨涂层材料技术领域。本发明采用等离子喷涂法在预处理的金属基体喷涂厚度为70~100μm的粘结层Ni‑Co‑Cr‑Al‑Y合金，然后再采用等离子喷涂法在粘结层Ni‑Co‑Cr‑Al‑Y合金表面喷涂耐磨陶瓷层；以质量分数计，粘结层Ni‑Co‑Cr‑Al‑Y合金中含有Co 0.01~10%、Cr 0.01~24%、Y 0.01~2%、Al 7~12%，其余为Ni。本发明通过改变涂层微观结构即将耐磨陶瓷涂层片状或块状转化为颗粒状，并在陶瓷层中形成微孔，陶瓷层中硬质相的颗粒状可以增强涂层的耐磨性，微孔有利于润滑液体保存，延长工件润滑时间，并且其颗粒状陶瓷层中的残留造孔润滑剂可自润滑，继而增强涂层的润滑作用，可大幅增强耐磨涂层的润滑耐磨作用，增加涂层的综合力学性能，提高涂层的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，属于耐磨涂层技术领域。
背景技术
表面摩擦磨损是最常见的表面失效方式之一，为了达到降低表面磨损的目的，润滑相对摩擦界面是人们以及工业应用上常见的手段。摩擦是导致能量消耗、影响能量转换效率、摩擦界面材料损失首要原因，因此润滑是解决摩擦磨损问题的重要且有效的手段。由摩擦磨损对经济以及能源造成的损失，因此需要研究优于传统润滑减摩、减损的关键技术，解决表面摩擦磨损造成的问题。
目前，在耐磨工件领域，为了降低耐磨工件表面摩擦造成的摩擦磨损失效和工件在相对摩擦下发热的问题，传统的方法通过热喷涂方法喷涂适当厚度的陶瓷涂层，继而在工件工作时，在陶瓷涂层通过添加润滑油来减小摩擦磨损失效和发热问题。但是工件耐磨性和工件表面润滑依然无法满足工况条件。
发明内容
针对现有技术中耐磨工件的的摩擦磨损失效问题，本发明提供一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，本发明通过改变涂层微观结构即将耐磨陶瓷涂层片状或块状转化为颗粒状，并在陶瓷层中形成微孔，陶瓷层中硬质相的颗粒状可以增强涂层的耐磨性，微孔有利于润滑液体保存，延长工件润滑时间，并且其颗粒状陶瓷层中的残留造孔润滑剂可自润滑，继而增强涂层的润滑作用，可大幅增强耐磨涂层的润滑耐磨作用，增加涂层的综合力学性能，提高涂层的寿命。
一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）将金属基体进行打磨、清洗、喷砂的前处理使金属基体表面粗糙度达到Ra>16；
（2）配制粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末，以质量分数计，其中粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末中含有Co 0.01~10%、Cr 0.01~24%、Y 0.01~2%、Al 7~12%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的金属基体喷涂粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金至粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金层厚度为70~100μm得到金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金；
（3）将陶瓷粉末和造孔润滑剂粉末混合均匀并进行球磨至粒径为20~50μm，过筛、干燥得到陶瓷层粉末；其中陶瓷粉末为Al2O3和/或TiO2，陶瓷粉末为Al2O3和TiO2时，TiO2占陶瓷粉末总质量的0.01~40%；陶瓷层粉末中造孔润滑剂粉末占总质量的6~10%；造孔润滑剂粉末为B4C、BN或MgO；
（4）采用等离子喷涂法在步骤（2）金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金表面喷涂步骤（3）的陶瓷层粉末至陶瓷涂层厚度为220~320μm即得多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层。
所述步骤（1）金属基体为低碳钢、钴基合金或镍基合金，金属基体厚度为0.6~3.5mm；
所述步骤（2）中等离子喷涂法的喷涂电流为500~550A、N2速率为2100~2400mL/h、喷涂距离为70~100mm、送粉电压为8~10V、待喷涂金属基体预热温度500~800℃；
所述步骤（4）中等离子喷涂法的喷涂电流为450~500A、N2速率为2300~2600mL/h、喷涂距离为80~110mm、送粉电压为6~8V。
为了缓解热喷涂因基体和陶瓷涂层热膨胀系数差异过大以及在界面处产生的热应力而引起的陶瓷涂层脱落与失效，须在制备陶瓷涂层前在基体表面上制备Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末的粘结层；由于工件在相对摩擦下发热，Ni-Co-Cr-Al-Y合金具有优异的抗热氧化性能、抗热腐蚀性能，Ni-Co-Cr-Al-Y合金作为粘结层保护了基体，提高涂层的寿命。Al2O3和/或TiO2陶瓷粉末具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化，Al2O3和/或TiO2陶瓷涂层具有更好的硬度均匀性、韧性和结合性能。造孔润滑剂粉末挥发压较低，在高温喷涂过程中，部分造孔润滑剂粉末挥发吸热，周围环境温度降低，残留粉末未完全熔化就快速沉积在基体上；涂层微观结构发生改变，由传统热喷涂耐磨涂层片状或块状改变为颗粒状，同时产生孔隙率约为30%~45%微孔；颗粒状物质为一种硬质相，可以增强涂层的耐磨性；微孔的产生，有利于润滑液体保存，延长工件润滑时间，再者，掺入的重量百分比为6%~10%造孔润滑剂粉末本身就起自润滑作用，增强涂层的润滑作用突出。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过改变涂层微观结构即将耐磨涂层片状或块状转化为颗粒状，并在陶瓷层中形成微孔，陶瓷层中硬质相的颗粒状可以增强涂层的耐磨性，微孔有利于润滑液体保存，延长工件润滑时间，并且其颗粒状陶瓷层中的残留造孔润滑剂可自润滑，继而增强涂层的润滑作用，可大幅增强耐磨涂层的润滑耐磨作用，减小摩擦磨损失效和发热问题；
（2）本发明方法通过粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金可提高耐磨层与金属基体的粘接性，能使其难以脱落与失效，工件在相对摩擦下发热时保护了基体，增加涂层的综合力学性能，提高涂层的寿命。
附图说明
图1多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层截面微观形貌示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）将金属基体（45#钢）进行打磨、清洗（超声波清洗）、喷砂的前处理使金属基体表面粗糙度达到Ra>16；
（2）配制粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末，以质量分数计，其中粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末中含有Co 0.01%、Cr 0.01%、Y 0.01%、Al 7%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的金属基体喷涂粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金至粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金层厚度为70μm得到金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金；其中等离子喷涂法的喷涂电流为500A、N2速率为2100mL/h、喷涂距离为70mm、送粉电压为8V、待喷涂金属基体预热温度500℃；
（3）将陶瓷粉末和造孔润滑剂粉末混合均匀并进行球磨至粒径为30~40μm，过筛、干燥得到陶瓷层粉末；其中陶瓷粉末为Al2O3，陶瓷层粉末中造孔润滑剂粉末占总质量的6%；造孔润滑剂粉末为B4C；
（4）采用等离子喷涂法在步骤（2）金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金表面喷涂步骤（3）的陶瓷层粉末至陶瓷涂层厚度为220μm即得多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为450A、N2速率为2300mL/h、喷涂距离为80mm、送粉电压为6V；
多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层截面微观形貌示意图如图1所示，陶瓷涂层截面微观形貌依次为陶瓷层、粘结层、基体；本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的陶瓷层中可通过涂层截面微观形貌图用Image Pro可分析出孔隙率为30%，微孔直径为30~40μm；
采用销盘式砂轮磨损试验机，在室温、大气和润滑油条件下，对本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层和传统耐磨性较好的W2C涂层进行磨耗实验，砂轮磨损试验机转速为180r/min，摩擦时间为2min，载荷为270N，为了减小实验误差，每一组实验10次，分别记录每一次实验的磨损的失重（见表1）；
表1 磨损的失重情况
从表1中可知，本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的磨损失重极小为1.8~2.0mg，而对比W2C涂层的磨损失重为18.7~18.9mg，说明本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的耐磨性远远优越于W2C涂层。
实施例2：一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）将金属基体（钴基合金K640）进行打磨、清洗（超声波清洗）、喷砂的前处理使金属基体表面粗糙度达到Ra>16；
（2）配制粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末，以质量分数计，其中粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末中含有Co 10%、Cr 24%、Y 2%、Al 12%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的金属基体喷涂粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金至粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金层厚度为100μm得到金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金；其中等离子喷涂法的喷涂电流为550A、N2速率为2400mL/h、喷涂距离为100mm、送粉电压为10V、待喷涂金属基体预热温度800℃；
（3）将陶瓷粉末和造孔润滑剂粉末混合均匀并进行球磨至粒径为20~40μm，过筛、干燥得到陶瓷层粉末；其中陶瓷粉末为TiO2粉末，陶瓷层粉末中造孔润滑剂粉末占总质量的10%；造孔润滑剂粉末为B4C；
（4）采用等离子喷涂法在步骤（2）金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金表面喷涂步骤（3）的陶瓷层粉末至陶瓷涂层厚度为220μm即得多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为500A、N2速率为2600mL/h、喷涂距离为110mm、送粉电压为8V；
本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的陶瓷层中可通过涂层截面微观形貌图用ImagePro可分析出孔隙率为45%，微孔直径为60~70μm；
采用销盘式砂轮磨损试验机，在室温、大气和润滑油条件下，对本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层和传统耐磨性较好的W2C涂层进行磨耗实验，砂轮磨损试验机转速为180r/min，摩擦时间为2min，载荷为270N，为了减小实验误差，每一组实验10次，分别记录每一次实验的磨损的失重（见表2）；
表2 磨损的失重情况
从表2中可知，本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的磨损失重极小为1.4~1.6mg，而对比W2C涂层的磨损失重为18.7~18.9mg，说明本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的耐磨性远远优越于W2C涂层。
实施例3：一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）将金属基体（镍基合金In800）进行打磨、清洗（超声波清洗）、喷砂的前处理使金属基体表面粗糙度达到Ra>16；
（2）配制粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末，以质量分数计，其中粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末中含有Co 5%、Cr 12%、Y 1%、Al 10%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的金属基体喷涂粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金至粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金层厚度为85μm得到金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金；其中等离子喷涂法的喷涂电流为520A、N2速率为2250mL/h、喷涂距离为85mm、送粉电压为9V、待喷涂金属基体预热温度650℃；
（3）将陶瓷粉末和造孔润滑剂粉末混合均匀并进行球磨至粒径为20~50μm，过筛、干燥得到陶瓷层粉末；其中陶瓷粉末为Al2O3和TiO2，TiO2占陶瓷粉末总质量的40%；陶瓷层粉末中造孔润滑剂粉末占总质量的8%；造孔润滑剂粉末为MgO粉末；
（4）采用等离子喷涂法在步骤（2）金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金表面喷涂步骤（3）的陶瓷层粉末至陶瓷涂层厚度为270μm即得多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为475A、N2速率为2450mL/h、喷涂距离为95mm、送粉电压为7V；
本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的陶瓷层中可通过涂层截面微观形貌图用ImagePro可分析出孔隙率为40%，微孔直径为40~50μm；
采用销盘式砂轮磨损试验机，在室温、大气和润滑油条件下，对本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层和传统耐磨性较好的W2C涂层进行磨耗实验，砂轮磨损试验机转速为180r/min，摩擦时间为2min，载荷为270N，为了减小实验误差，每一组实验10次，分别记录每一次实验的磨损的失重（见表3）；
表3 磨损的失重情况
从表3中可知，本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的磨损失重极小为1.1~1.3mg，而对比W2C涂层的磨损失重为18.7~18.9mg，说明本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的耐磨性远远优越于W2C涂层。
实施例4：一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）将金属基体（45#钢）进行打磨、清洗（超声波清洗）、喷砂的前处理使金属基体表面粗糙度达到Ra>16；
（2）配制粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末，以质量分数计，其中粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末中含有Co 0.01%、Cr 24%、Y 2%、Al 7%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的金属基体喷涂粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金至粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金层厚度为70μm得到金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金；其中等离子喷涂法的喷涂电流为500A、N2速率为2100mL/h、喷涂距离为70mm、送粉电压为8V、待喷涂金属基体预热温度500℃；
（3）将陶瓷粉末和造孔润滑剂粉末混合均匀并进行球磨至粒径为20~50μm，过筛、干燥得到陶瓷层粉末；其中陶瓷粉末为Al2O3和TiO2，TiO2占陶瓷粉末总质量的20%；陶瓷层粉末中造孔润滑剂粉末占总质量的9%；造孔润滑剂粉末为BN粉末；
（4）采用等离子喷涂法在步骤（2）金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金表面喷涂步骤（3）的陶瓷层粉末至陶瓷涂层厚度为320μm即得多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为500A、N2速率为2600mL/h、喷涂距离为110mm、送粉电压为8V；
本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的陶瓷层中可通过涂层截面微观形貌图用ImagePro可分析出孔隙率为30%，微孔直径为50~70μm；
采用销盘式砂轮磨损试验机，在室温、大气和润滑油条件下，对本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层和传统耐磨性较好的W2C涂层进行磨耗实验，砂轮磨损试验机转速为180r/min，摩擦时间为2min，载荷为270N，为了减小实验误差，每一组实验10次，分别记录每一次实验的磨损的失重（见表4）；
表4 磨损的失重情况
从表4中可知，本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的磨损失重极小为1.4~1.7mg，而对比W2C涂层的磨损失重为18.7~18.9mg，说明本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的耐磨性远远优越于W2C涂层。
实施例5：一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）将金属基体（镍基合金In800）进行打磨、清洗（超声波清洗）、喷砂的前处理使金属基体表面粗糙度达到Ra>16；
（2）配制粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末，以质量分数计，其中粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末中含有Co 10%、Cr 0.01%、Y 0.01%、Al 12%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的金属基体喷涂粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金至粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金层厚度为100μm得到金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金；其中等离子喷涂法的喷涂电流为550A、N2速率为2400mL/h、喷涂距离为100mm、送粉电压为10V、待喷涂金属基体预热温度800℃；
（3）将陶瓷粉末和造孔润滑剂粉末混合均匀并进行球磨至粒径为20~50μm，过筛、干燥得到陶瓷层粉末；其中陶瓷粉末为Al2O3和TiO2，TiO2占陶瓷粉末总质量的30%；陶瓷层粉末中造孔润滑剂粉末占总质量的7%；造孔润滑剂粉末为B4C；
（4）采用等离子喷涂法在步骤（2）金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金表面喷涂步骤（3）的陶瓷层粉末至陶瓷涂层厚度为220μm即得多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层；其中等离子喷涂法的喷涂电流为450A、N2速率为2300mL/h、喷涂距离为80mm、送粉电压为6V；
本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的陶瓷层中通过涂层截面微观形貌图用Image Pro可分析出孔隙率为45%，微孔直径为30~50μm；
采用销盘式砂轮磨损试验机，在室温、大气和润滑油条件下，对本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层和传统耐磨性较好的W2C涂层进行磨耗实验，砂轮磨损试验机转速为180r/min，摩擦时间为2min，载荷为270N，为了减小实验误差，每一组实验10次，分别记录每一次实验的磨损的失重（见表5）；
表5 磨损的失重情况
从表5中可知，本实施例多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的磨损失重极小为1.2~1.4mg，而对比W2C涂层的磨损失重为18.7~18.9mg，说明本实施例的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的耐磨性远远优越于W2C涂层。
Claims (5)
1.一种多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将金属基体进行打磨、清洗、喷砂的前处理使金属基体表面粗糙度达到Ra>16；
（2）配制粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末，以质量分数计，其中粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金粉末中含有Co 0.01~10%、Cr 0.01~24%、Y 0.01~2%、Al 7~12%，其余为Ni；采用等离子喷涂法在步骤（1）前处理的金属基体喷涂粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金至粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金层厚度为70~100μm得到金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金；
（3）将陶瓷粉末和造孔润滑剂粉末混合均匀并进行球磨至粒径为20~50μm，过筛、干燥得到陶瓷层粉末；其中陶瓷粉末为Al2O3和/或TiO2，陶瓷粉末为Al2O3和TiO2时，TiO2占陶瓷粉末总质量的0.01~40%；陶瓷层粉末中造孔润滑剂粉末占总质量的6~10%；造孔润滑剂粉末为B4C、BN或MgO；
（4）采用等离子喷涂法在步骤（2）金属基/粘结层Ni-Co-Cr-Al-Y合金表面喷涂步骤（3）的陶瓷层粉末至陶瓷涂层厚度为220~320μm即得多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤（1）金属基体为低碳钢、钴基合金或镍基合金，金属基体厚度为0.6~3.5mm。
3.根据权利要求1所述多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中等离子喷涂法的喷涂电流为500~550A、N2速率为2100~2400mL/h、喷涂距离为70~100mm、送粉电压为8~10V、待喷涂金属基体预热温度500~800℃。
4.根据权利要求1所述多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中等离子喷涂法的喷涂电流为450~500A、N2速率为2300~2600mL/h、喷涂距离为80~110mm、送粉电压为6~8V。
5.权利要求1~4任一项所述多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层的制备方法所制备的多孔耐磨热喷涂陶瓷涂层。
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