CN111910144A

CN111910144A - 一种铸铁工件表面镍包石墨封严涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN111910144A
Application number: CN202010855756.XA
Authority: CN
Inventors: 尹志坚; 陈煌; 肖展业; 张嵩琳; 尹双敏; 李海静
Original assignee: Ningbo Siporai Machinery Remanufacturing Co ltd
Current assignee: Ningbo Siporai Machinery Remanufacturing Co ltd
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2020-11-10

Abstract

本发明涉及一种铸铁工件表面镍包石墨封严涂层及其制备方法，属于复合材料及热喷涂技术领域，以NiAl金属涂层作为结合层提高涂层与基体的结合强度，表面喷涂镍包石墨涂层作为自润滑涂层，组合成稳定的基于铸铁表面热喷涂可磨耗涂层体系，能够有效填充空压机与机匣之间的缝隙，并具有良好的抗冲击、抗热震性能，从而提高空压机的工作效率，NiAl结合层采用丝线电弧喷涂，大粒径镍包石墨封严涂层采用火焰喷涂制备，本发明制备的该双层涂层体系，微观组织结构致密，涂层之间以及涂层和铸铁基体之间结合性能良好，石墨相在涂层中分布均匀。本发明同时具有石墨氧化流失率低、工艺简单、成本低、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

Description

一种铸铁工件表面镍包石墨封严涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸铁表面热喷涂镍包石墨封严涂层及其制备方法，属于复合材料及热喷涂技术领域，该发明主要应用于铸铁可磨耗封严涂层领域。

背景技术

铸铁具有强度高、耐疲劳、机械加工性能好、减震吸能等特点，被广泛应用于发动机气缸、变速箱体、曲轴、齿轮等部件。但对于严苛固体润滑的工况要求，铸铁中的石墨含量相对较低，不能满足固体润滑的要求【1 高培虎，王强，李建平等．蠕墨铸铁冲击磨损性能研究[J]．热加工工艺，2016，45(1)：31-34】，从而限制了其应用的范围。如何在不损害基体材料本身机械结构强度的基础上，赋予基材表面自润滑、耐磨损等特殊性能，有效减少由于摩擦磨损而造成的零部件损坏，延长其使用寿命，是当前新材料发展的重要研究方向。利用刷涂、电镀、化学镀、热喷涂等工艺对固体材料表面进行功能化再制造供了有效的解决途径【2Grigorev S N，Kovalev O B， Kuzmin V I，et al．Newpossibilities of plasmaspraying of wear resistant coatings[J]．Journal of Friction and Wear，2013，34(3)：161-165．】。美国航空航天局（NASA）研究表明，航空发动机各部位使用可磨耗封严涂层后效率可提高2%以上，油耗可降低2.5%以上【3 Dawson P，Walker MS，Watson A P. [J].Sealing Technology，2004，12：5.】。随着对航空发动机及地面燃气轮机性能要求的不断提高，可磨耗封严涂层将会发挥越来越重要的作用。

石墨是常见的固体润滑材料之一，但很少作为纯粹的结构材料来使用，通常可与其他材料复合在一起来制备耐磨涂层【4 Tsunekawa T，Ozdemir I，Okumiya M．Plasmasprayed cast iron coatings containing solid lubricant graphite and h-BNstructure [J]．Journal of Thermal Spray Technology，2006，15 (2)：239-245】。铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁）部件虽经常作为单一材料使用，但已很难满足高压、磨损、冲蚀、高温等恶劣工况条件下的使用要求。本发明方法涉及一种基于铸铁表面热喷涂大粒径镍包石墨的封严涂层，涂层由NiAl结合层和镍包石墨表层复合而成，可适用于高压压气机和较高温度工况条件下使用，其最高使用温度可达480℃。

由于等离子喷涂火焰温度较高，易造成石墨在喷涂过程中烧失，影响涂层的自润滑性能【5 于方丽，白宇，吴秀英等，等离子喷涂镍基可磨耗封严涂层抗腐蚀及耐磨性能分析[J]．无机材料学报，2016，31(7)：687-693】。故此，选用普通火焰喷涂工艺，通过工艺参数优化在铸铁基体表面制备镍包石墨可磨耗封严涂层，本发明具有石墨氧化流失率低、工艺简单、成本低、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种铸铁工件表面镍包石墨封严涂层及其制备方法。

本发明采用以下技术方案来显现：

一种铸铁工件表面镍包石墨封严涂层，以NiAl为结合底层，包括NiAl、MCrAlY等金属丝或复合粉，大粒径镍包石墨为表层组合成稳定的双层封严涂层体系，基于金属基体表面复合涂层的特征，NiAl金属材料为中间层结合层与金属基体和表面镍包石墨涂层具有更好的结合强度和匹配性。表面可磨耗封严涂层选用大粒经镍包石墨粉进行喷涂，该喷涂粉粒度分布均匀、镍包覆完全，没有裸露的石墨，这样一方面可以减少火焰喷涂过程中由于较高的火焰温度造成部分石墨氧化流失的技术难题，与此同时增加涂层内部不同相之间的结合力，另一方面，选用大粒径镍包石墨粉喷涂可以有效提高涂层的自润滑性能。

较佳的，所述结合层选自NiAl、MCrAlY等金属丝或复合粉中的一种。

较佳的，所述结合底层的厚度为50～100µm，优选为60～80µm。

较佳的，所述面层的厚度为100～300µm，优选为150～200µm。

较佳的，所述双层可磨耗封严涂层的总厚度大于250µm，优选为300～400µm。

较佳的，所述基体为铸铁。

另一方面，本发明提供了上述铸铁工件表面镍包石墨涂层的制备方法，包括：

（1）采用丝材电弧喷涂法，将NiAl丝材喷涂在基体材料表面，得到结合层；

（2）采用火焰喷涂法，将镍包石墨粉末喷涂在带金属结合底层的基体上，得到所述双层可磨耗封严涂层体系。

较佳地，所述NiAl丝材的直径为1～4mm，其成分组成为Ni-94.5%，Al-5%，Ti-0.5%，较佳地，所述面层用原料镍包石墨粉体的粒径为90～150µm，其成分组成为75%Ni和25%C。

较佳地，将基体进行预处理，所述预处理为喷金刚砂粗化，喷砂压力为0.2～0.6MPa。

较佳地，所述火焰喷涂法的参数包括：氧气压力：0.5～1.0MPa，优选为0.6～0.8MPa；氧气流量：70～100L/h，优选为80～90L/h；乙炔压力：0.05～0.20MPa，优选为0.10～0.15MPa；乙炔流量：30～70L/h，优选为45～55L/h；送粉载气流量：0.3～0.5L/h，优选为0.35～0.45L/h；送粉量：45～65 g/min；喷涂距离：150～300 mm，优选为200～250 mm。

本发明的铸铁表面热喷涂大粒径镍包石墨的封严涂层体系具有以下几个有益效果：

1. 本发明设计镍包石墨/NiAl双层涂层，采用NiAl金属或合金作为铸铁基体与镍包石墨面层之间的过渡层，与单一的铸铁表面镍包石墨涂层相比，能够显著提高涂层间的结合强度，保证使用过程中镍包石墨涂层不会发生涂层脱落。

2. 涂层体系能够有效提供自润滑性能，对基体起良好的耐磨、耐蚀和抗氧化作用，适合作为可磨耗封严涂层使用。

3. 喷涂态涂层微观组织均匀致密，无明显缺陷，各层和不同物相之间结合良好。

4. 大粒径镍包石墨的运用可有效提高涂层的自润滑性能，增加气路封严的精密性。

5. 本发明同时具有工艺简单、石墨氧化流失率低、成本低、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明的铸铁表面双层防护涂层体系结构致密，涂层之间以及涂层和基体之间结合性能良好，涂层体系稳定性好。该涂层体系包括NiAl结合层和镍包石墨面层双层结构，其中，所述NiAl是指与基体直接接触的一层，所述镍包石墨面层是结合层外面的一层，该双层封严涂层体系适用于铸铁金属基体，本体系以NiAl金属涂层作为中间结合层，显著提高了涂层与基体间的结合强度，避免了表层涂层在使用过程中脱落的问题。

本发明中的双层封严涂层体系，采用电弧喷涂和火焰喷涂两种技术制备。以下示例说明本发明提供的双层封严涂层体系的制备方法。

（1）基体的预处理，即喷涂预处理。具体来说，对基体表面进行预处理，喷砂粗化。其中，预处理步骤包括：基体表面去油，然后喷砂粗化（喷砂压力为0.2～0.6 MPa）处理后，在乙醇溶液中超声1～2次，然后烘干备用。

（2）结合层的制备。选用的NiAl丝材直径为1～4µm，采用电弧喷涂法，在基体材料表面制备结合层NiAl涂层，所述电弧喷涂工艺的参数包括：喷涂电流120～180A；喷涂电压25-35V；雾化空气压力0.4-0.8MPa，喷涂距离100-180mm。

（3）镍包石墨面层的制备。所述镍包石墨涂层制备选用的镍包石墨粉体粒径为90～150µm，采用等火焰喷涂法，将镍包石墨粉体喷涂在带有结合底层的基体上，即获得NiAl/镍包石墨双层结构可磨耗封严涂层体系。其中，等火焰喷涂工艺的参数包括：氧气压力：0.5～1.0MPa；氧气流量：70～100L/h；乙炔压力：0.05～0.20MPa；乙炔流量：30～70L/h；送粉载气流量：0.3～0.5L/h；送粉量：45～65 g/min；喷涂距离：150～300 mm。

下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1：

在铸铁基体上制备NiAl/镍包石墨双层涂层结构，内层为：结合层，NiAl层；面层：镍包石墨层。

涂层制备的步骤如下：

步骤1：对铸铁基体表面进行喷砂预处理，喷砂压力为0.4MPa；

步骤2：采用丝线电弧喷涂系统，将上述粒径合适的NiAl丝材喷涂在预处理后的基体上，喷涂工艺参数见表1，所述涂层厚度为50～70 µm；

表1为电弧喷涂NiAl涂层工艺参数：

步骤3：采用火焰喷涂系统，将上述粒径合适的镍包石墨粉体喷涂在带有结合层NiAl层的基体材料上，喷涂工艺参数见表2；

表2为火焰喷涂镍包石墨涂层工艺参数：

步骤4：采用金相法对制备所得涂层内部组织结构进行观察分析，金相分析表明所述涂层总厚度为300 µm，涂层微观组织均匀，涂层之间以及和基体之间结合紧密。

对比例1：

采用火焰喷涂技术，在铸铁基体表面直接制备镍包石墨涂层，具体步骤为：

步骤1：对铸铁基体表面进行喷砂预处理，喷砂压力0.4MPa；

步骤2：采用火焰喷涂工艺，将上述粒径合适的镍包石墨粉体喷涂在铸铁基体材料上，选用表2喷涂工艺参数。

采用实施例1中相同的金相制备方法，进行涂层断面结构观察与分析，所述涂层厚度为290 µm，制备的镍包石墨涂层与铸铁基体间的结合性能较差，存在明显的大气孔和裂纹，镍包石墨涂层中石墨相分布均匀，粒径在95-130µm之间。

Claims

1.一种铸铁工件表面镍包石墨封严涂层，其特征在于：所述基体为铸铁，所述结合层为NiAl涂层，所述面层为镍包石墨层，组合成高结合强度的双层可磨耗封严涂层体系。

2.根据权利要求1所述的铸铁工件表面镍包石墨涂层，其特征在于：所述镍包石墨面层选自大粒径镍包石墨粉，厚度为90～150µm。

3.根据权利要求1或2所述的铸铁工件表面镍包石墨封严涂层，其特征在于：所述结合层的厚度为50～100µm。

4.根据权利要求1或2所述的铸铁工件表面镍包石墨封严涂层，其特征在于：所述面层的厚度为100～300µm。

5.根据权利要求1或2所述的铸铁工件表面镍包石墨封严涂层，其特征在于：所述双层可磨耗封严涂层的总厚度大于250µm。

6.根据权利要求1或2所述的铸铁工件表面镍包石墨封严涂层，其特征在于：所述双层可磨耗封严涂层的制备方法包括等离子体喷涂、超音速火焰喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂和激光重熔等制备方法。

7.根据权利要求1或2所述的铸铁工件表面镍包石墨封严涂层，其特征在于：所述基体为铸铁、高温合金和钛合金等基体材料。

8.一种如权利要求1所述铸铁工件表面镍包石墨封严涂层的制备方法，其特征在于：包括：

（1）采用丝线电弧喷涂法，将NiAl丝线喷涂在基体材料表面，得到结合层；

（2）采用等火焰喷涂法，将镍包石墨粉体喷涂在带有金属结合层的基体上，形成镍包石墨/NiAl双层结构涂层体系。

9.根据权利要求8所述的铸铁工件表面镍包石墨封严涂层的制备方法，其特征在于：所述结合底层用原料NiAl丝材的直径为1～4mm，其成分组成为Ni-94.5%，Al-5%，Ti-0.5%，所述面层用原料镍包石墨粉体的粒径为90～150µm，其成分组成为75%Ni和25%C。

10.根据权利要求8或9所述的铸铁工件表面镍包石墨封严涂层的制备方法，其特征在于：所述等火焰喷涂法的参数包括：氧气压力：0.5～1.0MPa，氧气流量：70～100L/h，乙炔压力：0.05～0.20MPa，乙炔流量：30～70L/h，送粉载气流量：0.3～0.5L/h，送粉量：45～65 g/min，喷涂距离：150～300 mm。