CN110230018A

CN110230018A - 一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法

Info

Publication number: CN110230018A
Application number: CN201910341563.XA
Authority: CN
Inventors: 易戈文; 孙虎伟; 陕钰; 王文珍; 付英英
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2019-09-13

Abstract

本发明涉及一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：⑴将市售Bi₂O₃粉末经高能球磨、烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到PVA水溶液中搅拌成浆料；⑵浆料经喷雾造粒和筛分，或经搅拌蒸发、真空干燥经机械破碎和筛分，即得纳米Bi₂O₃喷涂粉；⑶按质量百分比，将高温合金粉45~80 wt%、Ag粉0~15 wt%、抗磨剂5~10 wt%与纳米Bi₂O₃喷涂粉10~30 wt%机械混合后，即得混合喷涂粉；⑷将金属基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体；⑸采用等离子喷涂工艺使混合喷涂粉在处理后的金属基体的表面喷涂形成涂层，即可制得金属基宽温域自润滑涂层。本发明方法简单、成本低，所得涂层在宽温域内具有较低摩擦系数及磨损率，且涂层与金属基底具有较高的结合强度。

Description

一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料及涂层技术领域，尤其涉及一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法。

背景技术

核工程、能源化工、航空航天及舰船等领域的高温机械部件，如先进航空发动机及燃气轮机压气机和涡轮叶片、叶盘、轮轴、轴套、主轴承等传动/驱动/作动系统关键动部件，由于系统驱动力或推重比提高，燃烧室温度大幅度提高，特别是发动机在启/停机循环、飞行速度频繁变化时经历宽温域内高/低温热循环交变工况，要求运动部件表面的固体润滑防护材料在宽温域（1000℃以内）具有良好的自润滑抗磨损性能。因此迫切需要运用高温固体润滑技术发展新型宽温域固体润滑材料，以解决相关运动部件的高低温自润滑与抗磨损寿命和可靠性问题。

在公开的有关宽温域自润滑涂层中，国外主要以美国NASA的PS系列涂层为主（US8753417B1和US005866518A），如PS304（ NiCr-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2）涂层结合强度为20~33MPa，25℃~800℃内的摩擦系数为0.23~0.37，磨损率为（48~10）×10^-5mm³/(N·m)，虽然该涂层中加入Cr₂O₃改善了涂层的加工性能，但磨损率很高，而且其800℃的磨损率高达26×10^-5mm³/(N·m)；而另一种涂层PS400（NiMoAl-Cr₂O₃-Ag-BaF₂/CaF₂）的结合强度为20~24MPa，25℃~650℃内的摩擦系数为0.8~0.16，涂层磨损率为（11.8~0.63）×10^-5mm³/(N·m)，其较低的结合强度和较高的室温摩擦系数及磨损率导致涂层过早失效。国内近年来也发明了一些较先进的宽温域自润滑涂层技术，如CN201310274061.2公开了一种室温到800℃宽温域自润滑涂层的制备，其采用电弧离子镀方法沉积的氧化铬薄涂层在室温到800℃内具有较小的摩擦系数（0.15~0.4）和低磨损率（＜10^-6mm³/(N·m)），但是由于该沉积技术制备的涂层非常薄，厚度只有几个微米导致涂层服役寿命非常有限，不适合长期应用于高温、重载等苛刻工况。而CN201310274113.6公开了一种全金属相宽温域自润滑涂层的制备技术，其采用全金属粉末（NiCrAlY合金粉、Ag、Mo）作为喷涂粉，通过大气等离子喷涂工艺制备厚度为0.2~1.0mm之间的NiCrAlY-Ag-Mo宽温域自润滑涂层，虽然其通过采用全金属喷涂粉，改善了涂层中的各组分之间的相容性，使涂层的结合强度得到提高（25~38 MPa），但是全金属材料涂层与金属形成运动配副时，在高温下，特别是800~1000℃及以上，接触表面的高温粘着加剧导致材料的高温摩擦磨损性能下降。因此，亟需一种具有重要应用价值和市场前景、结合强度和耐温更高及宽温域摩擦磨损性能优良的新型金属基宽温域自润滑涂层。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种方法简单、成本低、所得涂层在宽温域内具有较低摩擦系数及磨损率的金属基宽温域自润滑涂层的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴将市售Bi₂O₃粉末经高能球磨机球磨、70℃烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到聚乙烯醇（PVA）水溶液中搅拌成固含量为10~30%的浆料；

⑵所述浆料经喷雾造粒和筛分，即得粒径为38~80 μm的球形纳米Bi₂O₃喷涂粉；或

在100℃搅拌所述浆料使水分蒸发变粘稠后，于105℃真空干燥6h使其团聚成块，再经机械破碎和筛分，即得粒径为38~80 μm、形状不定的纳米Bi₂O₃喷涂粉；

⑶按质量百分比，将高温合金粉45~80 wt%、Ag粉0~15 wt%、抗磨剂5~10 wt%与所述纳米Bi₂O₃喷涂粉10~30 wt%机械混合后，即得粒径为30~120 μm的混合喷涂粉；

⑷将金属基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体；

⑸将所述处理后的金属基体固定在喷涂台上，并采用等离子喷涂工艺使所述混合喷涂粉在所述处理后的金属基体的表面喷涂形成涂层，即可制得金属基宽温域自润滑涂层。

所述步骤⑴中高能球磨机球磨的条件是指球料比为10:1，转速为400r/min，助磨剂为甲醇，球磨时间为40h。

所述步骤⑴中聚乙烯醇水溶液是指聚乙烯醇与水按20：280~1080的质量比混合均匀制得。

所述步骤⑴中Bi₂O₃粉与所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量比为5：1。

所述步骤⑶中高温合金粉是指含有镍基、铁基、钴基或钛基的高温合金粉末。

所述步骤⑶中抗磨剂为Al₂O₃、Cr₂O₃中的一种或两种。

所述步骤⑸中的等离子喷涂工艺的条件是指喷涂功率为27~45 kw，送粉率为25~50 g/min，主气流量为35~60 L/min，喷枪移动速度为10 mm/s，喷涂距离为90~120 mm，冷却气体压力为0.2~0.5 MPa。

所述步骤⑸中的等离子喷涂工艺采用火焰喷涂工艺、电弧喷涂工艺、真空热压工艺中的一种代替。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明由纳米Bi₂O₃构成的喷涂粉与高温合金粉、和Ag粉、抗磨剂混合作为混合喷涂粉，并采用等离子喷涂工艺等热喷涂方法制备涂层，使得涂层与金属基底具有较高的结合强度，涂层在宽温域（室温~1000℃）内具有较低的摩擦系数及磨损率。

2、本发明所得的涂层中采用的纳米Bi₂O₃在高低温下均具有良好的润滑性，而且在高温摩擦中纳米Bi₂O₃可与高温合金粉末（粘结剂）中的Cr、Ti、Al、Mo等金属元素通过摩擦化学反应形成具有高温润滑作用的纳米双金属氧化物，或和Ag形成复合润滑剂在宽温域内起到协同润滑作用，并与高温合金粉及少量抗磨剂形成具有良好相容性的润滑抗磨组份，赋予了涂层良好的结合强度、耐高温和宽温域自润滑抗磨损性能。

3、本发明所得的涂层厚度100 um~300um，与耐高温金属或氧化铝陶瓷作配副时，其在宽温域（室温~1000℃）内的摩擦系数0.52~0.15，磨损率在2×10^-5mm³/(N·m)~22×10^- ⁵mm³/(N·m)之间。

4、本发明所得的涂层与NASA的PS系列高温润滑涂层及 CN201310274113.6发明的“一种全金属相宽温域自润滑涂层的制备技术”相比，本发明的金属基宽温域自润滑涂层具有较高的结合强度（30 MPa~43 MPa）和更高温度的减磨降摩性能。

5、本发明原料易得，制备方法简单、成本低，非常适用于解决运动部件表面在宽温域内或高低温下的干摩擦自润滑和抗磨损问题。

具体实施方式

实施例1 一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴将100g市售Bi₂O₃粉末经高能球磨机球磨、70℃烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到900g聚乙烯醇（PVA）水溶液中搅拌成固含量为12%的浆料。

其中：高能球磨机球磨的条件是指球料比（g/g）为10:1，转速为400r/min，助磨剂为甲醇，球磨时间为40h。

PVA水溶液由20g PVA与880g水混合均匀制得。

⑵浆料经喷雾造粒和筛分，即得粒径为38~80 μm的球形纳米Bi₂O₃喷涂粉。

⑶按质量百分比，将NiMoAl高温合金粉177g、Ag粉30g、Al₂O₃粉18g与纳米Bi₂O₃喷涂粉75g置于机械混料机中混合后，即得粒径为38~113μm的混合喷涂粉。

⑷将GH4169高温合金基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体。

⑸将处理后的金属基体固定在喷涂台上，并将混合喷涂粉装入等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数后，将混合喷涂粉喷涂在处理后的金属基体上，即可制得金属基宽温域自润滑涂层。

其中：喷涂工艺参数：功率40 kw，送粉率40 g/min，主气流量50 L/min，喷枪移动速度10 mm/s，喷涂距离100 mm，冷却气体压力0.3 MPa。

所得的金属基宽温域自润滑涂层经测试，涂层厚度为260μm，结合强度为37 MPa；用球盘式高温摩擦试验机表征该涂层在室温、400℃、800℃、1000℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al₂O₃球。表1给出实施例1涂层的摩擦磨损数据。

表1 实施例1涂层与Al₂O₃球配副的摩擦磨损数据

实施例2 一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴将100g市售Bi₂O₃粉末经高能球磨机球磨、70℃烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到380g的聚乙烯醇（PVA）水溶液中搅拌成固含量为25%的浆料。

其中：高能球磨机球磨的条件同实施例1。

PVA水溶液由20g PVA与360g水混合均匀制得。

⑵在100℃机械搅拌浆料使水分蒸发，至浆料变粘稠后，于105℃真空干燥6h使其团聚成块，再经机械破碎和筛分，即得形貌为不规则形状、粒径为38~80μm形状不定的纳米Bi₂O₃喷涂粉。

⑶按质量百分比，将NiAl高温合金粉205g、Al₂O₃粉9g与纳米Bi₂O₃喷涂粉90 g置于机械混料机中混合后，即得粒径为38~108 μm的混合喷涂粉。

⑷将S31008高温合金基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体。

其中：喷涂工艺参数：功率27.5 kw，送粉率37 g/min，主气流量40 L/min，喷枪移动速度10 mm/s，喷涂距离100 mm，冷却气体压力0.25 MPa。

所得的金属基宽温域自润滑涂层经测试，涂层厚度为150μm，结合强度为43 MPa；用球盘式高温摩擦试验机表征该涂层在室温、400℃、800℃、1000℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al₂O₃球。表2给出实施例2涂层的摩擦磨损数据。

表2 实施例2涂层与Al₂O₃球配副的摩擦磨损数据

实施例3 一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴将100g市售Bi₂O₃粉末经高能球磨机球磨、70℃烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到300g聚乙烯醇（PVA）水溶液中搅拌成固含量为30%的浆料。

其中：高能球磨机球磨的条件同实施例1。

PVA水溶液由20g PVA与280g水混合均匀制得。

⑶按质量百分比，将NiCrTi高温合金粉175g、Ag粉25g、Cr₂O₃粉14g与纳米Bi₂O₃喷涂粉70 g机械混合后，即得粒径为30~110 μm的混合喷涂粉。

⑷将Incon-718高温合金基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体。

其中：喷涂工艺参数：功率40 kw，送粉率38 g/min，主气流量47 L/min，喷枪移动速度10 mm/s，喷涂距离100 mm，冷却气体压力0.3 MPa。

所得的金属基宽温域自润滑涂层经测试，涂层厚度为300μm，结合强度为30 MPa；用球盘式高温摩擦试验机表征该涂层在室温、400℃、800℃、1000℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为GCr15球。表3给出实施例3涂层的摩擦磨损数据。

表3实施例3涂层与GCr15钢球配副的摩擦磨损数据

实施例4 一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴将100g市售Bi₂O₃粉末经高能球磨机球磨、70℃烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到聚乙烯醇（PVA）水溶液中搅拌成固含量为10%的浆料。

其中：高能球磨机球磨的条件同实施例1。

PVA水溶液由20g PVA与1080g水混合均匀制得。

⑶按质量百分比，将高温合金粉45 wt%、Ag粉15 wt%、抗磨剂10 wt%与纳米Bi₂O₃喷涂粉30 wt%机械混合后，即得粒径为38~120μm的混合喷涂粉。

高温合金粉是指含有铁基的高温合金粉末。

抗磨剂为Al₂O₃粉与Cr₂O₃粉按1：0.5的质量比（g/g）混合而得。

⑷将金属基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体。

其中：喷涂功率为27 kw，送粉率为25 g/min，主气流量为35 L/min，喷枪移动速度为10 mm/s，喷涂距离为100 mm，冷却气体压力为0.2MPa。

所得的金属基宽温域自润滑涂层经测试，涂层厚度为320μm，结合强度为40 MPa；用球盘式高温摩擦试验机表征该涂层在室温~800℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al₂O₃球。表4给出实施例4涂层的摩擦磨损数据。

表4 实施例4涂层与Al₂O₃钢球配副的摩擦磨损数据

实施例5 一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴将100g市售Bi₂O₃粉末经高能球磨机球磨、70℃烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到聚乙烯醇（PVA）水溶液中搅拌成固含量为15%的浆料。

其中：高能球磨机球磨的条件同实施例1。

PVA水溶液由20g PVA与680g水混合均匀制得。

⑶按质量百分比，将高温合金粉80 wt%、Ag粉5 wt%、Al₂O₃粉5 wt%与纳米Bi₂O₃喷涂粉10 wt%机械混合后，即得粒径为38~105μm的混合喷涂粉。

高温合金粉是指含有钴基的高温合金粉末。

其中：喷涂功率为45 kw，送粉率为50 g/min，主气流量为60 L/min，喷枪移动速度为10 mm/s，喷涂距离为120 mm，冷却气体压力为0.5 MPa。

所得的金属基宽温域自润滑涂层经测试，涂层厚度为260μm，结合强度为30 MPa；用球盘式高温摩擦试验机表征该涂层在室温~800℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al₂O₃球。表5给出实施例5涂层的摩擦磨损数据。

表5 实施例5涂层与Al₂O₃钢球配副的摩擦磨损数据

实施例6 一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴将100g市售Bi₂O₃粉末经高能球磨机球磨、70℃烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到聚乙烯醇（PVA）水溶液中搅拌成固含量为30%的浆料。

其中：高能球磨机球磨的条件同实施例1。

PVA水溶液由20g PVA与280g水混合均匀制得。

⑶按质量百分比，将高温合金粉70 wt%、Ag粉15 wt%、Al₂O₃粉5 wt%与纳米Bi₂O₃喷涂粉10 wt%机械混合后，即得粒径为38~110μm的混合喷涂粉。

高温合金粉是指含有钛基的高温合金粉末。

其中：喷涂功率为40 kw，送粉率为52 g/min，主气流量为57 L/min，喷枪移动速度为10 mm/s，喷涂距离为100 mm，冷却气体压力为0.5 MPa。

所得的金属基宽温域自润滑涂层经测试，涂层厚度为100μm，结合强度为43 MPa；用球盘式高温摩擦试验机表征该涂层在室温~1000℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al₂O₃球。表6给出实施例6涂层的摩擦磨损数据。

表6 实施例6涂层与Al₂O₃钢球配副的摩擦磨损数据

上述实施例1~6中，等离子喷涂工艺还可以采用火焰喷涂工艺、电弧喷涂工艺、真空热压工艺中的一种代替，将本发明的喷涂粉材料制得具有宽温域自润滑功能的金属基涂层或金属基复合材料。

Claims

1.一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴将市售Bi₂O₃粉末经高能球磨机球磨、70℃烘干，即得粒径为5~200 nm的Bi₂O₃粉；该Bi₂O₃粉加入到聚乙烯醇水溶液中搅拌成固含量为10~30%的浆料；

2.如权利要求1所述的一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中高能球磨机球磨的条件是指球料比为10:1，转速为400r/min，助磨剂为甲醇，球磨时间为40h。

3.如权利要求1所述的一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中聚乙烯醇水溶液是指聚乙烯醇与水按20：280~1080的质量比混合均匀制得。

4.如权利要求1所述的一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中Bi₂O₃粉与所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量比为5：1。

5.如权利要求1所述的一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中高温合金粉是指含有镍基、铁基、钴基或钛基的高温合金粉末。

6.如权利要求1所述的一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中抗磨剂为Al₂O₃、Cr₂O₃中的一种或两种。

7.如权利要求1所述的一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑸中的等离子喷涂工艺的条件是指喷涂功率为27~45 kw，送粉率为25~50 g/min，主气流量为35~60 L/min，喷枪移动速度为10 mm/s，喷涂距离为90~120 mm，冷却气体压力为0.2~0.5 MPa。

8.如权利要求1所述的一种金属基宽温域自润滑涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑸中的等离子喷涂工艺采用火焰喷涂工艺、电弧喷涂工艺、真空热压工艺中的一种代替。