CN110983234A - NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层及其制备方法,包括过渡层和面层,过渡层为NiAl相,面层由50wt%~90wt%的NiAl过渡相和10wt%~50wt%的氧化物陶瓷相组成,所述氧化物陶瓷相为MoO3和CuO;MoO3和CuO的质量比为1:1;NiAl相中:镍为95wt%,铝为5wt%;采用等离子喷涂技术制备出NiAl‑MoO3/CuO复合涂层,制备的复合涂层不仅具有致密的内部结构且具有较高的结合强度50~67Mpa,MoO3和CuO在高温摩擦过程中通过摩擦化学反应生成CuMoO4、Cu3Mo2O9高温固体润滑剂,本发明制备的复合涂层中氧化物均匀分布在涂层内部,内部结构致密,其喷涂涂层内部的结合较好,高温润滑效果突出,同时其抗磨性能优异,有望改善零部件高温润滑抗磨问题,延长材料在高温服役条件下的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂材料及涂层技术领域,具体涉及一种NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层及其制备方法。
背景技术
较低的摩擦往往能减少能耗并延长材料的使用寿命,随着高新技术的革新和能源化工、核电、核工业、船舶、航空航天及装备制造业等高技术专业的发展,对苛刻工况下(如:高速、高温、重载)具有良好润滑和耐磨性能防护材料提出了迫切需求。相关部件(燃气轮机密封圈,活塞环润滑,滑动轴承)在苛刻环境下的润滑耐磨问题已成为影响整个设备在运行(可靠性、使用寿命)的技术关键。
传统材料,以软金属为代表的Pb、Ag等,高温会加速Ag从金属表面析出,使材料过度软化导致材料的摩擦学性能进一步恶化,从而限制了软金属在过高温度下的使用;以层状固体润滑剂为代表的MoS2、石墨等在400℃以上由于氧化失效等原因,导致其无法在高温工况下长期使用。一些金属氧化物(如MoO3、CuO、NiO、TiO2等)具有良好的耐高温性能,同时在较高的温度下具有较低的剪切强度,可作为高温润滑耐磨防护涂层的固体润滑剂,而如何选择和复配氧化物使其充分发挥协同润滑作用,目前还仍未有专利涉及。因此迫切需要运用摩擦学的相关理论和知识寻求制备新材料涂层,以满足零部件高温润滑抗磨等问题,以其延长材料的使用寿命。
发明内容
为了解决了现有技术中存在的问题,本发明提供一种NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层及其制备方法,基于双金属氧化物复配理论(离子势理论,极化率理论)优化NiAl基高温润滑耐磨复合涂层,解决高温氧化失效对材料造成的危害,通过摩擦化学反应使其在摩擦表面原位生成CuMoO4、Cu3Mo2O9、NiMoO4等高温润滑剂,进一步改善材料高温摩擦学性能。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是,NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层,包括过渡层和面层,过渡层为NiAl相,面层由50wt%~90wt%的NiAl过渡相和10wt%~50wt%的氧化物陶瓷相组成,所述氧化物陶瓷相为MoO3和CuO;NiAl相中:镍为95wt%,铝为5wt%。
MoO3和CuO的质量比为1:1。
过渡层的厚度60~110μm,面层的厚度150~180μm。
基底为镍基金属。
NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
S1,取MoO3、NiAl和CuO粉末混合均匀,再烘干,得到干燥的混合粉末;混合粉末中,NiAl粉末为50wt%~90wt%,MoO3和CuO混合粉末10wt%~50wt%;
S2,取NiAl粉末,采用等离子喷涂方法将NiAl粉末喷涂在经过清洗的基底表面,形成NiAl相过渡层;NiAl粉末中,镍为95wt%,铝为5wt%;
S3,取S1所得混合粉末,采用等离子喷涂方法将混合粉末喷涂至过渡层,形成面层,得到包含NiAl相和氧化物陶瓷相,氧化物陶瓷相为MoO3和CuO。
S1中的MoO3经过二次处理,具体如下:
取MoO3粉末,将其进行球磨,球磨时的球料比为10:1,转速为250r/min,球磨10h;
将球磨好的粉末放入3.5wt%PVA溶液中搅拌,直至黏稠状,再进行烘干,得到MoO3粉末块体;
采用机械破碎方法对MoO3粉末块体粉碎后得到二次处理后的MoO3粉末。
S2中,喷涂过渡层时:送粉率为40g/min,主体流量为30~50L/min,喷枪的移动速度10mm/s,喷涂距离为100mm,冷却气体压力0.2~0.5MPa,过渡层厚度为60~110μm。
S1中,氧化铜和三氧化钼粉末的重量比为1:1。
S3中,面层喷涂时:送粉率为30g/min,主体流量为30~50L/min,喷枪的移动速度为10mm/s,喷涂距离90mm,冷却气体压力0.2~0.5MPa,面层厚度为150~180μm。
涂层的表面硬度200~300HV,截面硬度150~210HV,结合强度不小于50Mpa,高温摩擦系数为0.1~0.3,磨损率为3×10-5~5×10-5mm3N-1m-1。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:本发明所述NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层包括过渡层和面层,过渡层为NiAl相,过渡层为面层和金属基体件提供良好的结合层,面层为NiAl过渡相、MoO3和CuO,面层中即有氧化物陶瓷相和NiAl过渡相,能够很好的与过渡层适配,提高结合力,而且由MoO3和CuO提高面层的耐高温和耐磨性能,同时,NiAl过渡相中,Ni含量占比大,也能极大地提高过渡相的耐高温性能。
本发明通过团聚再破碎方法处理的MoO3粉末形貌分布均匀流动性好,有利于在喷涂过程中均匀受热,喷涂前通过机械混合的方式将过渡相(NiAl)和氧化物陶瓷(MoO3,CuO)混合,其方法简单有效,有助于使粉末粒径分布更加均匀,制备的复合涂层力学性能显著,氧化物均匀分布在涂层内部,内部结构致密,其喷涂涂层内部的结合较好,其中,MoO3和CuO在高温摩擦过程中通过摩擦化学反应在摩擦表面原位生成CuMoO4、Cu3Mo2O9高温固体润滑剂,高温润滑效果突出,同时其抗磨性能优异,有望改善零部件高温润滑抗磨等问题,以其延长材料在高温服役条件下的使用寿命。
附图说明
图1a为MoO3粉末处理后的XRD。
图1b为MoO3粉末处理后的形貌。
图2实施例2复合涂层的结合强度测试。
图3a实施例2复合涂层的截面硬度点的形貌分布。
图3b实施例2复合涂层截面硬度测试结果。
图4实施例2复合涂层的截面形貌和元素分布。
图5实施例2复合涂层在800℃的摩擦系数。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述说明,但本发明要求的保护范围并不局限于实施例表示的范围。
NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层,包括过渡层和面层,过渡层为NiAl相,面层由50wt%~90wt%的NiAl过渡相和10wt%~50wt%的氧化物陶瓷相组成,所述氧化物陶瓷相为MoO3和CuO;NiAl相中:镍为95wt%,铝为5wt%;MoO3和CuO的质量比为1:1。
过渡层的厚度60~110μm,面层的厚度150~180μm。
基底为镍基金属,本发明所述高温环境不低于700℃。
NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层的制备方法,包括以下步骤:
S1,原始MoO3粉末的二次处理
首先将粉末进行球磨,球磨时间为10h,球料比为10:1,转速为250r/min,将球磨好的MoO3粉末放入溶解好的3.5wt%聚乙烯醇PVA中搅拌,直至放入的粉末呈黏稠状,放入100℃烘箱保温20h,采用机械破碎法制备出可喷涂的MoO3粉末。处理后的粉末XRD如图1a,形貌如图1b,可以看出处理前后没有其它杂相的出现,同时形貌图看出其粉末粒径分布均匀。
将处理好MoO3粉末与NiAl和CuO在三维混料仪均匀混合,然后置于80℃的烘箱中烘干,得到混合粉末,待用。
S2,清洗样件
首先将待喷涂的样件置于丙酮中超声处理10~15min,除去表面的油污,其次用80~150目的氧化铝砂,以0.3~0.6MP压力对洁净的金属表面进行喷砂处理,并用干燥空气吹净喷砂表面以其除去表面的附着的砂粒;
S3,喷涂过渡层
喷涂过渡层的工艺参数为:电流500A,电压55V,送粉率40g/min,主体流量30~50L/min,喷枪的移动速度10mm/s,喷涂距离100mm,冷却气体压力0.2~0.5MPa,厚度60~110μm之间。
S4,在过渡层表面喷涂面层
喷完过渡层后在其表面喷涂面层,面层喷涂粉末由50wt%~90wt%的粘结相(NiAl)、10~50wt%的陶瓷相混合组成;粘结相由95wt%的镍以及5wt%的铝组成;陶瓷相为氧化铜、三氧化钼两种粉末以重量比1:1的混合而成;面层的等离子喷涂工艺参数为:电流550A,电压50V,送粉率30g/min,主体流量30~50L/min,喷枪的移动速度10mm/s,喷涂距离90mm,冷却气体压力0.2~0.5MPa,厚度150~180μm;
最终得到,结构致密的NiAl-MoO3/CuO复合涂层,即NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层。
按照本发明所述步骤制备涂层性能检测:涂层的表面硬度200~300HV0.5,截面硬度150~210HV0.5,结合强度50~60Mpa,高温摩擦测试(800℃,球盘式接触,对偶球材质Al2O3,旋转半径5mm,转速200r/min,载荷10N),摩擦系数0.1~0.3,磨损率:3×10-5~5×10-5mm3N-1m-1。
实施例1
S1,原始粉末MoO3的二次处理:首先将MoO3粉末进行高能球磨,球磨10h,球料比10:1,转速250r/min,将球磨好的粉末放入溶解好的3.5wt%的PVA中搅拌,直至放入的粉末黏稠状,放入100℃烘箱保温20h,采用机械破碎方法制备出可喷涂的MoO3粉末;
将处理好的MoO3粉末与NiAl和CuO在三维混料仪均匀混合,然后置于烘箱中烘干,得到混合粉末,待用。
S2,喷涂样件的处理:首先将喷涂样件置于丙酮中超声10min,除去表面的油污,其次用80~150目的氧化铝砂和0.3~0.6MP压力对洁净的金属表面进行喷砂处理,并用干燥空气吹净喷砂表面以其除去表面的附着的砂粒;
S3,喷涂过渡层
S4,在过渡层表面喷涂面层
喷涂参数和喷涂材料组成分别如表1-1和表1-2所示,
表1-1等离子喷涂工艺参数
NiAl-MoO3/CuO复合涂层涉及的喷涂材料组成如表1-2
表1-2实施例1各层喷涂材料组成
本实施例的面层中过渡相90wt%,金属氧化物10wt%,表1-2中,各组成物相的量为该组成物占其所在层总质量的质量分数。
实施例1所得涂层性能检测:涂层的表面硬度254HV0.5,结合强度67±8.4Mpa,高温摩擦测试(800℃,球盘式接触,对偶球材质Al2O3,旋转半径5mm,转速200r/min,载荷10N):摩擦系数0.30,截面孔隙率10.24%,磨损率:3.76×10-5mm3N-1m-1。
实施例2
实施步骤同实施例1,等离子喷涂工艺按表2-1,喷涂材料组成如表2-2;
表2-1等离子喷涂工艺参数
表2-2实施例2各层喷涂材料组成
本实施例的面层中过渡相70wt%,金属氧化物30wt%,表2-2中,各组成物相的量为该组成物占其所在层总质量的质量分数。
涂层性能检测:涂层的表面硬度268HV0.5,图2为结合强度65±1.5Mpa的测试,图3a显示了复合涂层的截面硬度点的形貌分布情况,图3b进一步显示了截面硬度的测试结果150~210HV0.5,结合图4(截面形貌的元素分布)可以看出氧化物均匀分布在涂层内部,该组份下的涂层结构致密,其喷涂涂层内部的结合较好,高温摩擦测试(800℃,球盘式接触,对偶球材质Al2O3,旋转半径5mm,转速200r/min,载荷10N):摩擦系数0.15,截面孔隙率8.23%,磨损率:3.4×10-5mm3N-1m-1。图5可以看出添加氧化物的复合涂层有效降低了NiAl基复合涂层的在高温下的摩擦系数。
实施例3
实施步骤同实施例1,等离子喷涂工艺按表3-1,喷涂材料组成如表3-2
表3-1等离子喷涂工艺参数
表3-2实施例3各层喷涂材料组成
本实施例的面层中过渡相50wt%,金属氧化物50wt%,表3-2中,各组成物相的量为该组成物占其所在层总质量的质量分数。
涂层性能检测:涂层的表面硬度268HV0.5,结合强度52±5.4Mpa,高温摩擦测试(800℃,球盘式接触,对偶球材质Al2O3,旋转半径5mm,转速200r/min,载荷10N):摩擦系数0.23,截面孔隙率10.88%,磨损率:4.13×10-5mm3N-1m-1。
本发明通过团聚再破碎方法处理的MoO3粉末形貌分布均匀流动性好,有利于在喷涂过程中均匀受热,喷涂前通过机械混合的方式将过渡相(NiAl)和氧化物陶瓷(MoO3,CuO)混合,其方法简单有效,有助于使粉末粒径分布更加均匀,制备的复合涂层力学性能显著,氧化物均匀分布在涂层内部,内部结构致密,其喷涂涂层内部的结合较好,高温润滑效果突出,同时其抗磨性能优异,有望改善零部件高温润滑抗磨等问题,以其延长材料在高温服役条件下的使用寿命,而且进一步丰富了氧化物复配理论(离子势理论,极化率理论)。
Claims (10)
1.NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层,其特征在于,包括过渡层和面层,过渡层为NiAl相,面层由50wt%~90wt%的NiAl过渡相和10wt%~50wt%的氧化物陶瓷相组成,所述氧化物陶瓷相为MoO3和CuO;NiAl相中:镍为95wt%,铝为5wt%。
2.根据权利要求1所述的NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层,其特征在于,MoO3和CuO的质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层,其特征在于,过渡层的厚度60~110μm,面层的厚度150~180μm。
4.根据权利要求1所述的NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层,其特征在于,基底为镍基金属。
5.NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,取MoO3、NiAl和CuO粉末混合均匀,再烘干,得到干燥的混合粉末;混合粉末中,NiAl粉末为50wt%~90wt%,MoO3和CuO混合粉末10wt%~50wt%;
S2,取NiAl粉末,采用等离子喷涂方法将NiAl粉末喷涂在经过清洗的基底表面,形成NiAl相过渡层;NiAl粉末中,镍为95wt%,铝为5wt%;
S3,取S1所得混合粉末,采用等离子喷涂方法将混合粉末喷涂至过渡层,形成面层,得到包含NiAl相和氧化物陶瓷相,氧化物陶瓷相为MoO3和CuO。
6.根据权利要求5所述的NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层的制备方法,其特征在于,S1中的MoO3经过二次处理,具体如下:
取MoO3粉末,将其进行球磨,球磨时的球料比为10:1,转速为250r/min,球磨10h;
将球磨好的粉末放入3.5wt%PVA溶液中搅拌,直至黏稠状,再进行烘干,得到MoO3粉末块体;
采用机械破碎方法对MoO3粉末块体粉碎后得到二次处理后的MoO3粉末。
7.根据权利要求5所述的NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层的制备方法,其特征在于,S2中,喷涂过渡层时:送粉率为40g/min,主体流量为30~50L/min,喷枪的移动速度10mm/s,喷涂距离为100mm,冷却气体压力0.2~0.5MPa,过渡层厚度为60~110μm。
8.根据权利要求5所述的NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层的制备方法,其特征在于,S1中,氧化铜和三氧化钼粉末的重量比为1:1。
9.根据权利要求5所述的NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层的制备方法,其特征在于,S3中,面层喷涂时:送粉率为30g/min,主体流量为30~50L/min,喷枪的移动速度为10mm/s,喷涂距离90mm,冷却气体压力0.2~0.5MPa,面层厚度为150~180μm。
10.根据权利要求5所述的NiAl基双金属氧化物高温润滑耐磨复合涂层的制备方法,其特征在于,涂层的表面硬度200~300HV,截面硬度150~210HV,结合强度不小于50Mpa,高温摩擦系数为0.1~0.3,磨损率为3×10-5~5×10-5mm3N-1m-1。
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