CN109457211B - 一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,以具有自润滑能力的Ni‑C、AlSi‑聚苯脂以及NiCr‑BN‑MoS2等粉末为原料,在金属基材上采用内送粉高能等离子喷涂方法得到。本发明通过合理的热喷涂工艺参数,严格控制了喷涂的工艺流程,使涂层的孔隙率降低、硬度和结合力提高,综合力学性能得到大幅提升,耐磨减摩性能得到明显优化,有效延长了透平机械的工作寿命。
Description
技术领域
本发明属于金属表面改性领域,具体涉及一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法。
背景技术
透平机械是通过叶片的高速旋转使流体与叶片之间产生力的相互作用,实现能量的转化的一种动力式流体机械,被广泛的用于汽轮机、发动机等设备的制造。然而,透平机械在生产和服役过程中由于存在装配公差、热膨胀、离心应变及振动位移等因素,导致叶片与机匣之间存在较大或较小的间隙,导致设备工作效率降低,使用寿命大幅缩短。近年来,喷涂技术制备以封严效果好、工艺简便、可控性强、修复过程简易以及不稳定现象少等优势在透平机械行业得到了广泛应用。利用此技术制备的润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层覆于机匣内表面,在工作过程中会与叶片的尖部互相摩擦,形成理想的气流间隙,既降低了油耗、提高了工作效率,又大幅延长了透平机械的使用寿命。
润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层是由一定比例的金属相和非金属相复合,通过火焰粉末喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂以及等离子喷涂等喷涂技术得到。但这些传统的热喷涂技术粒子射流密度较低,导致制备的涂层强度和结合强度较低,孔隙率较高,涂层综合性能一般。虽然后期超音速火焰喷涂(HVOF)技术的产生对于减摩耐磨涂层的性能有了一定提高,但涂层中仍存在少许未熔颗粒,一定程度上影响了涂层的减摩耐磨性,还不能很好的满足透平机械的使用要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明旨在提供一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,此方法制备的涂层孔隙率低、致密性好,涂层与基体的结合强度高,有效提高了润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的综合性能,大幅延长透平机械的使用寿命。
为了达到上述目的,本发明采用如下的技术方案:
一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,包括以下步骤:
1)对前处理后的基材进行预热处理;
2)采用内送粉高能等离子喷涂方法在预热的基材表面喷涂原材料,制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层;其中采用内送粉高能等离子喷涂方法的工艺参数是:电流为290~380A、电压为60~120V、主气压力60~150L/min、辅气压力为15~30L/min、送粉率为20~60g/min、喷涂距离为70~100mm;基材温度采用吹风冷却方式控制在200℃以下;原材料为Ni-C粉末、AlSi-聚苯脂粉末或NiCr-BN-MoS2粉末。
本发明进一步的改进在于,步骤1)中前处理的具体过程为:先进行除油去污和打磨除锈,然后用丙酮超声波清洗,清洗后烘干,最后用白刚玉行喷砂处理。
本发明进一步的改进在于,步骤1)中基材为金属基材或不锈钢。
本发明进一步的改进在于,步骤1)中预热采用喷枪预热的方式,温度控制在80~100℃。
本发明进一步的改进在于,步骤2)中主气为氩气,辅气为氢气。
本发明进一步的改进在于,步骤2)中Ni-C粉末的粒径为30~150μm;按重量百分比计,该粉末中Ni含量为75%,C含量为25%。
本发明进一步的改进在于,步骤2)中AlSi-聚苯脂粉末的粒径为20~100μm;按重量百分比计,该粉末中AlSi合金含量为60%,聚苯脂含量为40%。
本发明进一步的改进在于,步骤2)中NiCr-BN-MoS2粉末的粒径为45~20μm;按重量百分比计,该粉末中NiCr-BN含量为78%,MoS2含量为22%。
本发明进一步的改进在于,润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的厚度为1.5~2.0mm,洛氏硬度≥79,孔隙率为0.6~2.3%,结合强度≥15MPa。
本发明进一步的改进在于,还包括步骤3),对难熔金属重载耐磨涂层表面进行机加工抛光。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明通过合理的热喷涂工艺参数,严格控制了喷涂的工艺流程,使涂层的孔隙率降低、硬度和结合力提高,综合力学性能得到大幅提升,耐磨减摩性能得到明显优化,有效延长了透平机械的工作寿命。本发明基于“降低孔隙率、提高致密性,加快粒子飞行速度、提高涂层-基体结合强度”的涂层开发与应用的基本思路,并根据“内送粉高能等离子喷涂的粒子温度更高,能够保证飞行粒子在撞击扁平化前充分熔融,从而获得性能更为优异、结合更好的涂层”这一特性,能够制备出膜-基结合更紧密、结合强度优异,孔隙率极低、致密性更好的润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层。
附图说明
图1为Ni-C涂层截面形貌。
图2为AlSi-聚苯脂涂层截面形貌。
图3为NiCr-BN-MoS2涂层截面形貌。
图4为涂层机械性能对比图。其中1为采用本发明内送粉高能等离子喷涂技术制备的Ni-C润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层,2为采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备的Ni-C涂层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明,其仅在于解释而不是限定。
本发明润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层采用具有自润滑能力的Ni-C、AlSi-聚苯脂或NiCr-BN-MoS2等粉末为原材料,在金属基材(包括不锈钢)上喷涂得到。
本发明的润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层是采用内送粉高能等离子喷涂方法制备而成。
制备的涂层为Ni-C涂层,Ni-C涂层的原料为镍包石墨粉末,粉末粒径范围为30μ~150μm;按重量百分比计,粉末中Ni含量为75wt%,C含量为25wt%。
制备的涂层为AlSi-聚苯脂涂层,AlSi-聚苯脂涂层的原料为AlSi合金与聚苯脂混合粉末,粉末粒径范围为20μ~100μm;按重量百分比计,粉末中AlSi合金含量为60wt%,聚苯脂含量为40wt%。
制备的涂层为NiCr-BN-MoS2涂层,NiCr-BN-MoS2涂层的原料为NiCr-BN与MoS2混合粉末,粉末粒径范围为45μ~200μm;按重量百分比计,金属粉末中NiCr-BN含量为78wt%,MoS2含量为22wt%。
所述的润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层厚度为1.5~2.0mm,洛氏硬度(HR15Y)≥79,孔隙率0.6~2.3%,结合强度≥15MPa。
本发明润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,包括以下步骤:
1)喷涂前对基材表面进行前处理。
2)对前处理后的基材进行预热处理。
3)采用内送粉高能等离子喷涂方法在预热的基材表面喷涂原材料,制备减摩耐磨涂层。
4)对喷涂后的金属部件表面进行机加工抛光。
所述的步骤1)中前处理的具体过程是:先进行除油去污和打磨除锈,然后用丙酮超声波清洗,清洗后放入烘干箱烘干,最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
所述的步骤2)中采用喷枪预热的方式,温度控制在80~100℃左右。
所述的步骤3)中采用内送粉高能等离子喷涂方法的工艺参数是:电流为290~380A、电压为60~120V、主气Ar压力为60~150L/min、辅气H2压力为15~30L/min、送粉率为20~60g/min、喷涂距离为70~100mm;基材温度采用“吹风冷却”方式控制在200℃以下。
以下结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
本实施例以Q235碳素结构钢作为基体,尺寸为45×20×5mm,质量百分数为:≤0.22%的C、≤1.0%的Si、≤1.4%的Mn、≤0.044%的P、≤0.35%的Si、≤0.05%的S以及余量为Fe。
涂层为基材表面厚度为1.6mm的高耐磨涂层,涂层材料为镍包石墨粉末。
所述的Ni-C粉末(镍包石墨粉末)粒径范围30~150μm;按重量百分比计,Ni含量为75wt%,C含量为25wt%。
制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的具体实施步骤为:
1)基体表面前处理
对作为基材的Q235碳素结构钢表面先进行除油去污和打磨除锈,然后用丙酮超声波清洗,清洗后放入烘干箱烘干,最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
2)对喷砂的基材采用喷枪预热的方式进行预热,温度控制在80~100℃。
3)采用内送粉高能等离子喷涂方法在预热的基材表面喷涂Ni-C粉末,制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层,具体工艺参数是:电流340A、电压105V、主气Ar压力70L/min、辅气H2压力15L/min、送粉率40/min、喷涂距离100mm。制备过程中用洁净压缩空气对基材进行吹风冷却,温度控制在200℃以下。
4)对喷涂后的钢件表面进行机加工抛光。
图1为Ni-C润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的截面形貌图,可观察到涂层结构致密、组织分布均匀,几乎无孔隙。
实施例2
本实施例以Q235碳素结构钢作为基体,尺寸为45×20×5mm,质量百分数为:≤0.22%的C、≤1.0%的Si、≤1.4%的Mn、≤0.044%的P、≤0.35%的Si、≤0.05%的S以及余量为Fe。
涂层为基材表面厚度为1.8mm的高耐磨涂层,涂层材料为AlSi和聚苯脂复合粉末。
所述的AlSi和聚苯脂复合粉末(AlSi-聚苯脂粉末)粒径范围20~100μm;按重量百分比计,AlSi含量为60wt%,聚苯脂含量为40wt%。
制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的具体实施步骤为:
1)基体表面前处理
对作为基材的Q235碳素结构钢片表面先进行除油去污和打磨除锈,然后用丙酮超声波清洗,清洗后放入烘干箱烘干,最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
2)对喷砂的基材采用喷枪预热的方式进行预热,温度控制在80~100℃。
3)采用内送粉高能等离子喷涂方法在预热的基材表面喷涂AlSi-聚苯脂粉末,制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层,具体工艺参数是:电流350A、电压105V、主气Ar压力65L/min、辅气H2压力25L/min、送粉率50g/min、喷涂距离100mm。制备过程中用洁净压缩空气对基材进行吹风冷却,温度控制在200℃以下。
4)对喷涂后的钢件表面进行机加工抛光。
图2为AlSi-聚苯脂润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的截面形貌图,可观察到涂层结构致密、组织分布均匀,几乎无孔隙。
实施例3
本实施例以Q235碳素结构钢作为基体,尺寸为45×20×5mm,质量百分数为:≤0.22%的C、≤1.0%的Si、≤1.4%的Mn、≤0.044%的P、≤0.35%的Si、≤0.05%的S以及余量为Fe。
涂层为基材表面厚度为1.6mm的高耐磨涂层,涂层材料为NiCr-BN和MoS2复合粉末。
所述的NiCr-BN和MoS2复合粉末(即NiCr-BN-MoS2粉末)粒径范围45~200μm;按重量百分比计,NiCr-BN含量为78wt%,MoS2含量为22wt%。
采制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的具体实施步骤为:
1)基体表面前处理
对作为基材的Q235碳素结构钢表面先进行除油去污和打磨除锈,然后用丙酮超声波清洗,清洗后放入烘干箱烘干,最后用白刚玉(#24)进行喷砂处理。
2)对喷砂的基材采用喷枪预热的方式进行预热,温度控制在80~100℃。
3)采用内送粉高能等离子喷涂方法在预热的基材表面喷涂NiCr-BN-MoS2粉末,制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层,具体工艺参数是:电流290A、电压90V、主气Ar压力89L/min、辅气H2压力25L/min、送粉率35/min、喷涂距离100mm。制备过程中用洁净压缩空气对基材进行吹风冷却,温度控制在200℃以下。
4)对喷涂后的钢件表面进行机加工抛光。
图3为NiCr-BN-MoS2润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的截面形貌图,可观察到制备的涂层结构致密、组织分布均匀,仅有少许微小孔隙。
表1本发明实施例1-3的三种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层机械性能统计
表1为三种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层机械性能的统计,可发现:涂层厚度基本一致时,Ni-C涂层硬度(HR15Y)为92,结合强度为21MPa,孔隙率约0.6%;AlSi-聚苯脂涂层硬度(HR15Y)为79,结合强度为15MPa,孔隙率约0.7%;NiCr-BN-MoS2涂层硬度(HR15Y)为94,结合强度为25MPa,孔隙率约2.2%。三种涂层整体孔隙率低,硬度和结合强度较高,综合力学性能优异。
图4中1为采用本发明内送粉高能等离子喷涂技术制备的Ni-C润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层,2为采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备的Ni-C涂层。由图4可以看出,由于本发明将现有的Q235碳素结构钢表面采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法制备的Ni-C涂层改为采用内送粉高能等离子喷涂方法制备的Ni-C润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层,涂层硬度提高1.77倍,孔隙率降低6.5倍,结合强度提高1.75倍。故本发明涂层的综合机械性能明显提高,更有效的提高透平机械的工作寿命。
实施例4
本实施例以Q235碳素结构钢作为基体。
涂层为基材表面厚度为1.6mm的高耐磨涂层,涂层材料为Ni-C(镍包石墨)粉末。
制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的具体实施步骤为:
1)进行前处理:先对基材进行除油去污和打磨除锈,然后用丙酮超声波清洗,清洗后烘干,最后用白刚玉行喷砂处理。其中,基材为不锈钢。
2)对前处理后的基材进行预热处理;其中,预热采用喷枪预热的方式,温度控制在80~100℃。
3)采用内送粉高能等离子喷涂方法在预热的基材表面喷涂Ni-C粉末,制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层;其中采用内送粉高能等离子喷涂方法的工艺参数是:电流为380A、电压为60V、主气Ar压力60L/min、辅气H2压力为30L/min、送粉率为60g/min、喷涂距离为70mm;基材温度采用“吹风冷却”方式控制在200℃以下;其中,Ni-C粉末的粒径为30~150μm;按重量百分比计,该粉末中Ni含量为75%,C含量为25%。
4)对钢件表面进行机加工抛光。
实施例5
本实施例以Q235碳素结构钢作为基体。
涂层为基材表面厚度为1.8mm的高耐磨涂层,涂层材料为AlSi和聚苯脂复合粉末。
制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的具体实施步骤为:
1)进行前处理:先对基材进行除油去污和打磨除锈,然后用丙酮超声波清洗,清洗后烘干,最后用白刚玉行喷砂处理。其中,基材为不锈钢。
2)对前处理后的基材进行预热处理;其中,预热采用喷枪预热的方式,温度控制在80~100℃。
3)采用内送粉高能等离子喷涂方法在预热的基材表面喷涂AlSi-聚苯脂粉末,制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层;其中采用内送粉高能等离子喷涂方法的工艺参数是:电流为320A、电压为120V、主气Ar压力150L/min、辅气H2压力为20L/min、送粉率为20g/min、喷涂距离为80mm,基材温度采用“吹风冷却”方式控制在200℃以下;其中,AlSi-聚苯脂粉末的粒径为20~100μm;按重量百分比计,该粉末中AlSi合金含量为60%,聚苯脂含量为40%。
4)对钢件表面进行机加工抛光。
以上所述,仅为本发明的具体实施例而已,当不能以此限定本发明实施的范围,大凡依本发明专利申请范围及说明书内容所做的等效变化与修饰,皆应仍属本发明专利涵盖范围内。
Claims (8)
1.一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)对前处理后的基材进行预热处理;其中,基材为金属基材;
2)采用内送粉高能等离子喷涂方法在预热的基材表面喷涂原材料,制备润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层;其中采用内送粉高能等离子喷涂方法的工艺参数是:电流为290~380A、电压为60~120V、主气压力60~150L/min、辅气压力为15~30L/min、送粉率为20~60g/min、喷涂距离为70~100mm;基材温度采用吹风冷却方式控制在200℃以下;原材料为Ni-C粉末、AlSi-聚苯脂粉末或NiCr-BN-MoS2粉末;Ni-C粉末的粒径为30~150μm;AlSi-聚苯脂粉末的粒径为20~100μm,NiCr-BN-MoS2粉末的粒径为45~20μm;主气为氩气,辅气为氢气;润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层的厚度为1.5~2.0mm,洛氏硬度≥79,孔隙率为0.6~2.3%,结合强度≥15MPa。
2.根据权利要求1所述的一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,其特征在于,步骤1)中前处理的具体过程为:先进行除油去污和打磨除锈,然后用丙酮超声波清洗,清洗后烘干,最后用白刚玉行喷砂处理。
3.根据权利要求1所述的一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,其特征在于,步骤1)中预热采用喷枪预热的方式,温度控制在80~100℃。
4.根据权利要求1所述的一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,其特征在于,按重量百分比计,Ni-C粉末中Ni含量为75%,C含量为25%。
5.根据权利要求1所述的一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,其特征在于,按重量百分比计,AlSi-聚苯脂粉末中AlSi合金含量为60%,聚苯脂含量为40%。
6.根据权利要求1所述的一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,其特征在于,按重量百分比计,NiCr-BN-MoS2粉末中NiCr-BN含量为78%,MoS2含量为22%。
7.根据权利要求1所述的一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,其特征在于,还包括步骤3),对难熔金属重载耐磨涂层表面进行机加工抛光。
8.根据权利要求1所述的一种润滑相高度弥散分布的耐磨减摩涂层制备方法,其特征在于,金属基材为不锈钢。
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