CN109504933A - 一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层及制备方法 - Google Patents

一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种NiAl‑Cr2O3‑Mo‑Ag高温润滑复合涂层及制备方法，该NiAl‑Cr2O3‑Mo‑Ag高温润滑复合涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和润滑层组成，所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述润滑层的组成成分及其重量百分比为：Cr2O3粉15～20％、Mo粉10～20％、Ag粉10～15％、余量NiAl合金粉。与现有技术相比，利用金属Mo、Ag以及NiAl合金在高温摩擦学化学反应中生成的一系列高温润滑相改善了复合涂层的高温摩擦学性能，通过热处理工艺改善了复合涂层的内部结合以及组织致密性，提高了涂层的硬度、强度等力学性能，且制备工艺简单，可广泛应用于高温下机械零部件的抗磨减摩。

Description

一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及表面涂层技术领域，特别是一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层及制备方法。
背景技术
随着航空、航天、核技术等工业的快速发展，越来越多的机械零部件需要服役于超高/低温交变、高温高速或重载荷等苛刻工况条件，机械零部件在宽温域内的摩擦磨损问题也就显得尤为突出。在上述工况下，传统的润滑油脂已经难以满足使用要求，固体润滑涂层因其减摩效果稳定、适合于恶劣工况条件，可有效解决其摩擦磨损问题而起到减摩润滑作用。利用热喷涂技术制备宽温域润滑复合涂层最具代表性的当属PS/PM系列固体润滑涂层，他们的设计理念是将低、中、高温润滑相混合在等离子喷涂涂层中，如PS304是由Ni-Cr、Cr2O3、Ag和BaF2/CaF2等组成的等离子喷涂复合涂层，Ni-Cr合金提供基本机械强度和良好的抗高温氧化性，Cr2O3可强化涂层，Ag保证了中、低温的润滑作用，共晶氟化物则提供了良好的高温润滑作用，这样各润滑相在不同温域内显出各自的润滑性能。但这类涂层也有不足之处，比如以Cr2C3为强化相的PS200涂层仍存在氧化或腐蚀磨损，700℃高温下很快从基体上剥落而造成失效；PS400系列涂层具有很好的高温性能，但室温下的摩擦系数通常都在0.3以上。有的研究人员采用超音速火焰喷涂制备的NiMoAl-Cr3C2-Ag复合涂层，在宽温域内表现出良好的耐温、抗氧化性能，但是Cr3C2的加入降低了复合涂层的结合强度，在使用过程中一直存在润滑相易脱落，减摩效果不稳定等问题，特别是在使用初期摩擦系数不稳定，摩擦系数大于0.4，易在初期造成对磨件的磨损。其主要原因是润滑相在摩擦开始阶段分散不均匀，表面未能形成连续的自润滑膜层；涂层内部结合较差，加工和摩擦过程中容易脱落。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层及制备方法，利用金属Mo、Ag以及NiAl合金在高温摩擦学化学反应中生成的一系列高温润滑相改善了复合涂层的高温摩擦学性能，通过热处理工艺改善了复合涂层的内部结合以及组织致密性，提高了复合涂层的硬度、强度等力学性能。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和润滑层组成，所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述润滑层的组成成分及其重量百分比为：Cr2O3粉15～20％、Mo粉10～20％、Ag粉10～15％、余量NiAl合金粉。
进一步，所述Ni5Al粉的粒径为45～90μm。
进一步，所述Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉的粒度为100～200目。
进一步，所述结合层的喷涂厚度为80～100μm。
进一步，所述润滑层的喷涂厚度为300～500μm。
本发明还提供一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的制备方法，具体步骤如下：
(1)润滑层喷涂粉制备：
利用高能球磨机将Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉进行混合球磨4小时，球磨结束后过筛获得均匀的混合粉末，用体积比6:1的分散剂和粘结剂与混合粉末混合制备悬浮液，悬浮液中混合粉末含量不低于30％，然后采用喷雾造粒机制备润滑层喷涂粉，所制得润滑层喷涂粉的粒径为50-70μm；
(2)待喷涂基底处理：
首先去除待喷涂的镍基合金基底表面附着的杂质，然后依次在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10～20分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对镍基合金基底表面进行喷砂处理，以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.6－0.7MPa，而后利用压缩空气吹去镍基合金基底表面浮尘，再将其置于体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；
(3)涂层制备：
结合层制备：利用超音速等离子喷涂设备在镍基合金基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；
润滑层制备：利用超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂润滑层，所述润滑层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；
(4)涂层的热处理：
将步骤(3)喷涂结合层和润滑层后的镍基合金基底置于550℃下、真空保温1h，制得NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层。
进一步，所述步骤(1)中分散剂为羟甲基纤维素钠，粘结剂为聚乙二醇。
与现有技术相比，本发明所制备的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层通过添加Cr2O3等硬质相使复合涂层的硬度由179HV提高到375HV以上，复合涂层的硬度明显高于NiCrAlY-Mo-Ag、NiMoAl等合金涂层；利用金属Mo、Ag以及NiAl合金所生成高温润滑相的润滑作用，复合涂层在700-900℃下(载荷为40N、转速360rpm)的摩擦系数减小至0.25～0.23，磨损率降低至2.1～1.8×10-5mm3/(N·m)；通过550℃下保温1h的真空热处理，涂层内部的裂纹和气孔等缺陷明显减少，涂层组织均匀致密性显著提高，涂层孔隙度低于3％，复合涂层的结合强度达45MPa左右。
本发明制备了具有高温润滑性的复合涂层，制备工艺简单，可广泛应用于高温下机械零部件的的抗磨减摩。
附图说明
图1为本发明制备的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层与NiCrAlY/Mo/Ag、NiMoAl、NiAl/Mo/Ag、NCriAlY合金涂层的硬度比较图。
图2为本发明制备的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层与NiCrAlY、NiCrAlY-Mo-Ag合金涂层在同等试验条件下(载荷为40N、转速360rpm)的摩擦系数比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和润滑层组成，结合层的组成成分为Ni5Al粉；润滑层的组成成分及其重量百分比为：Cr2O3粉15％、Mo粉10％、Ag粉10％、余量NiAl合金粉。
本实施例中，所述Ni5Al粉的粒径为45μm。
本实施例中，所述Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉的粒度均为100目。
本实施例中，所述结合层的喷涂厚度为80μm。
本实施例中，所述润滑层的喷涂厚度为300μm。
另外，本实施例还提供一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的制备方法，具体步骤如下：
(1)润滑层喷涂粉制备：
利用转速为250r/min的高能球磨机将Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉进行混合球磨4小时，转速设定为250r/min，球磨结束后过200目筛获得均匀的混合粉末，用体积比6:1的分散剂和粘结剂与混合粉末混合制备悬浮液，悬浮液中混合粉末含量不低于30％，然后利用YC-018型喷雾造粒机制备润滑层喷涂粉，所制得润滑层喷涂粉的粒径为50μm；
(2)待喷涂基底处理：
首先去除待喷涂的Inconel718合金基底表面附着的杂质，然后依次在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对Inconel718合金基底表面进行喷砂处理，以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.6MPa，而后利用压缩空气吹去Inconel718合金基底表面浮尘，再置于体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；
(3)涂层制备：
结合层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在Inconel718合金基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；
润滑层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂润滑层，所述润滑层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；
(4)涂层的热处理：
将步骤(3)喷涂结合层和润滑层后的Inconel718合金基底置于550℃下、真空保温1h，制得NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层。该步骤的目的是为了改善复合涂层的内部结合，以有效地减少涂层内部的裂纹和气孔等缺陷，提高涂层组织均匀致密性，进而提高涂层的显微硬度、结合强度以及摩擦学等性能。
实施例2
一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和润滑层组成，所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述润滑层的组成成分及其重量百分比为：Cr2O3粉20％、Mo粉20％、Ag粉15％、余量NiAl合金粉。
本实施例中，所述Ni5Al粉的粒径为90μm。
本实施例中，所述Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉的粒度均为200目。
本实施例中，所述结合层的喷涂厚度为100μm。
本实施例中，所述润滑层的喷涂厚度为500μm。
另外，本实施例还提供一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的制备方法，具体步骤如下：
(1)润滑层喷涂粉制备：
利用高能球磨机将Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉进行混合球磨4小时，转速设定为250r/min。球磨结束后将粉末过200目筛获得均匀的混合粉末，用体积比6:1的分散剂(羟甲基纤维素钠)和粘结剂(聚乙二醇)与混合粉末混合制备悬浮液，悬浮液中混合粉末含量不低于30％，然后利用YC-018型喷雾造粒机制备润滑层喷涂粉，所制得润滑层喷涂粉的粒径为70μm；
(2)待喷涂基底处理：
首先去除待喷涂的Inconel718合金基底表面附着的杂质后，依次在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗20分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对Inconel718合金基底表面进行喷砂处理，以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.7MPa，而后利用压缩空气吹去Inconel718合金基底表面浮尘，再置于体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；
(3)涂层制备：
结合层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在Inconel718合金基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；
润滑层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂润滑层，所述润滑层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；
(4)涂层的热处理：
将步骤(3)喷涂结合层和润滑层后的Inconel718合金基底置于550℃下、真空保温1h，制得NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层。
实施例3
一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和润滑层组成，所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述润滑层的组成成分及其重量百分比为：Cr2O3粉17％、Mo粉15％、Ag粉12％、余量NiAl合金粉。
本实施例中，所述Ni5Al粉的粒径为60μm。
本实施例中，所述Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉的粒度均为150目。
本实施例中，所述结合层的喷涂厚度为90μm。
本实施例中，所述润滑层的喷涂厚度为400μm。
另外，本实施例还提供一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的制备方法，具体步骤如下：
(1)润滑层喷涂粉制备：
利用高能球磨机将Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉进行混合球磨4小时，转速设定为250r/min。球磨结束后将粉末过200目筛获得均匀的混合粉末，用体积比6:1的分散剂(羟甲基纤维素钠)和粘结剂(聚乙二醇)与混合粉末混合制备悬浮液，悬浮液中混合粉末含量不低于30％，然后利用YC-018型喷雾造粒机制备润滑层喷涂粉，所制得润滑层喷涂粉的粒径为65μm；
(2)待喷涂基底处理：
首先去除待喷涂的Inconel718合金基底表面附着的杂质，然后依次在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗15分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对Inconel718合金基底表面进行喷砂处理，以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.65MPa，而后利用压缩空气吹去Inconel718合金基底表面浮尘，再置于体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；
(3)涂层制备：
结合层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在Inconel718合金基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；
润滑层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂润滑层，所述润滑层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；
(4)涂层的热处理：
将步骤(3)喷涂结合层和润滑层后的Inconel718合金基底置于550℃下、真空保温1h，制得NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层。
上述实施例制备NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的原理是：通过金属Mo、Ag以及NiAl合金在高温下的摩擦学化学反应生成了一系列高温润滑相Ag2MoO4、Ag2Mo4O13、Ag2Mo2O7、Ni2Mo3O8和NiMoO4等，极大地改善了涂层在高温下的润滑性能。
按照上述制备NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的方法，制备得到的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，经测试知：NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层通过添加Cr2O3等硬质相使NiAl合金涂层的硬度由179HV提高到375HV以上；将本发明制备得到的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层与NiCrAlY/Mo/Ag、NiMoAl、NiAl/Mo/Ag、NCriAlY合金涂层的硬度进行比较，比较结果如图1所示，从图1中可以看出：本发明制备得到的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的硬度明显高于NiCrAlY/Mo/Ag、NiMoAl、NiAl/Mo/Ag、NCriAlY合金涂层的硬度。
另外，由于本发明制备得到的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层最后通过550℃下保温1h的真空热处理，涂层内部的裂纹和气孔等缺陷明显减少，涂层组织均匀致密性显著提高，涂层孔隙度低于3％，复合涂层的结合强度达45MPa左右；通过金属Mo、Ag以及NiAl合金在高温下的摩擦学化学反应生成了一系列高温润滑相Ag2MoO4、Ag2Mo4O13、Ag2Mo2O7、Ni2Mo3O8和NiMoO4等，极大地改善了NiAl合金涂层在高温下的润滑性能，制备得到的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层在700-900℃下的摩擦系数减小至0.25～0.23，磨损率降低至2.1～1.8×10-5mm3/(N·m)；将本发明制备得到的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层与NiCrAlY、NiCrAlY-Mo-Ag合金涂层在同等试验条件下(载荷为40N、转速360rpm)进行摩擦系数对比，比较结果如图2所示，从图2中可以看出：本发明制备得到的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的摩擦系数明显低于NiCrAlY、NiCrAlY-Mo-Ag合金涂层的摩擦系数。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，其特征在于：该NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和润滑层组成，所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述润滑层的组成成分及其重量百分比为：Cr2O3粉15～20％、Mo粉10～20％、Ag粉10～15％、余量NiAl合金粉。
2.根据权利要求1所述的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，其特征在于：所述Ni5Al粉的粒径为45～90μm。
3.根据权利要求1所述的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，其特征在于：所述Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉的粒度为100～200目。
4.根据权利要求1所述的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，其特征在于：所述结合层的喷涂厚度为80～100μm。
5.根据权利要求1所述的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层，其特征在于：所述润滑层的喷涂厚度为300～500μm。
6.一种如权利要求1-5任一所述NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)润滑层喷涂粉制备：
利用高能球磨机将Cr2O3粉、Mo粉、Ag粉、NiAl合金粉进行混合球磨4小时，球磨结束后获得均匀的混合粉末，用体积比6:1的分散剂和粘结剂与混合粉末混合制备悬浮液，悬浮液中混合粉末含量不低于30％，然后利用喷雾造粒机制备润滑层喷涂粉，所制得润滑层喷涂粉的粒径为50-70μm；
(2)待喷涂基底处理：
首先去除待喷涂的镍基合金基底表面附着的杂质，然后依次在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10～20分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对镍基合金基底表面进行喷砂处理，以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.6－0.7MPa，而后利用压缩空气吹去镍基合金基底表面浮尘，再将其置于体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；
(3)涂层制备：
结合层制备：利用超音速等离子喷涂设备在镍基合金基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；
润滑层制备：利用超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂润滑层，所述润滑层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；
(4)涂层的热处理：
将步骤(3)喷涂结合层和润滑层后的镍基合金基底置于550℃下、真空保温1h，制得NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层。
7.根据权利要求6所述的NiAl-Cr2O3-Mo-Ag高温润滑复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中分散剂为羟甲基纤维素钠，粘结剂为聚乙二醇。
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