CN112126884B - 一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：⑴将市售ZnO粉末加入到75℃的5wt.%的聚乙烯醇水溶液中，搅拌、烘干、破碎并过筛得到38~75μm的团聚ZnO粉末；⑵将商用金属粉末、MoO3粉末与团聚ZnO粉末机械混合均匀后，即得粒径为‑110+15μm的混合喷涂粉；⑶将金属基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体；⑷将处理后的金属基体固定在喷涂台上，并将商用金属粉末装入等离子喷涂设备送粉器中，喷涂后得到粘结层；⑸将混合喷涂粉装入等离子喷涂设备送粉器中，喷涂后即得金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层。本发明制备方法简单、成本低，所得的涂层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。

Description

一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料及涂层技术领域，尤其涉及一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法。
背景技术
机械运动部件在高温空气中摩擦磨损行为，对航天航空发动机、燃气轮机、核能及煤化工等高温装备的运行可靠性和寿命影响巨大。高温运动部件（轴、热汽缸衬套、轴套、导叶等）一般采用耐高温性能良好的镍基高温合金，可通过热喷涂技术在合金部件表面制备具有高温润滑功能的复合材料涂层，来解决运动部件在高温等苛刻环境下润滑和耐磨的关键技术问题。传统的固体润滑剂（二硫化钼、石墨等）在高温（300℃或400℃）以上发生氧化分解而失去高温润滑性能，研究较多的高温固体润滑剂主要有金属氟化物、氧化物、无机含氧酸盐等，其针对特定工况条件的应用均未能取得良好效果。仍迫切需要运用摩擦学原理和材料科学技术构筑新型高温固体润滑材料和发展高温润滑新技术。
关于具有高温润滑作用的金属氧化物，Erdemir和B. Prakash等人提出了晶体化学理论，引入了离子势的概念，即单一氧化物离子势越高，润滑性能越优异，而对于多元金属氧化物体系，离子势差异越大，润滑性能越好。欧阳等人采用水热法制备了BaMoO4粉末，采用热压烧结的方法制备了NiCr-BaMoO4自润滑复合材料，从室温到600℃摩擦系数为0.26~0.30，磨损率为10-5~10-6mm3/Nm。其团队研究的火花等离子体烧结制备的ZrO2(Y2O3)-BaCrO4自润滑复合材料与低压等离子喷涂制备的ZrO2-BaCrO4涂层，均在300~800℃内表现出良好的摩擦特性。但是针对长时服役高温（≧800℃）大气环境工况中的高温合金表面的摩擦磨损防护，上述涂层仍然难以满足在高温大气中的实际应用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、低成本的金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴将市售ZnO粉末加入到75℃的5wt.%的聚乙烯醇水溶液中，磁力搅拌1h，然后于100℃的烘干10h，随后机械破碎并过筛得到38~75 μm的团聚ZnO粉末；所述市售ZnO粉末与所述聚乙烯醇水溶液的质量比为1：9；
⑵按质量百分比，将商用金属粉末60~90 wt%、MoO3粉末5~20 wt.%与团聚ZnO粉末5~20 wt.%机械混合均匀后，即得粒径为-110+15 μm的混合喷涂粉；
⑶将金属基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体；
⑷将所述处理后的金属基体固定在喷涂台上，并将所述商用金属粉末装入等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数后，将该商用金属粉末喷涂在所述处理后的金属基体上，得到粘结层；
⑸将所述混合喷涂粉装入所述等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数后，将该混合喷涂粉喷涂在所述粘结层表面，即得金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层。
所述步骤⑴中聚乙烯醇水溶液是指聚乙烯醇与水按5：95的质量比混合均匀制得。
所述步骤⑵中商用金属粉末是指含有镍基、铁基、钴基或钛基的金属合金粉末，粒径为-110+15 μm。
所述步骤⑶金属基体中为含有镍基、铁基或钛基的高温合金基体。
所述步骤⑷中等离子喷涂工艺参数是指氩气流量为35~45 L/min、H2流量为5~8L/min，粉末流量为30~40 g/min，喷涂距离为100 mm，电流为500~600 A，电压为50~60 V。
所述步骤⑸中等离子喷涂工艺参数是指氩气流量为40~47 L/min、H2流量为6~8L/min，粉末流量为30~40 g/min，喷涂距离为80mm，电流为500~600 A，电压为50~60 V。
所述步骤⑷或所述步骤⑸中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MoO3-ZnO金属氧化物与金属粉末复合作为混合喷涂粉，并采用等离子喷涂工艺等热喷涂方法制备金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层，使得涂层与金属基底具有较高的结合强度，涂层在高温（≧800℃）具有较低的摩擦系数及磨损率。
2、本发明所采用的MoO3-ZnO在高温下具有良好的润滑性，在高温摩擦中MoO3与ZnO及高温合金粉末（粘结剂）中的Ni、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、良好相容性的双金属氧化物润滑抗磨组份，如NiO、ZnMoO4和NiMoO4等。
根据Erdemir和B. Prakash等（Tribology Letters 8 (2000) 97-102）提出的晶体化学理论，金属氧化物之间的离子势差较大（离子势：MoO3为8.9、ZnO为2.7、NiO为2.8），其在高温下化合形成的多元金属氧化物具有良好的润滑性能。如图1所示，采用拉曼光谱仪对本发明复合涂层在800℃摩擦试验后的磨痕内/外进行分析。涂层磨损表面（Inside）润滑膜成分主要包括MoO3、ZnMoO4、NiO、Al2O3、ZnO，而磨痕外部（Outside）表面还检测到NiMoO4。其中550, 750, 975, 1100 cm-1对应的峰为NiO，在451和750 cm-1附近的拉曼峰可标记为Al2O3, 在~203, 330, 586 cm-1的拉曼峰是ZnO，而在159, 218, 284, 291 cm-1的特征峰应为MoO3，在370, 400，840 cm-1附近的拉曼峰则为ZnMoO4，872和950 cm-1的峰则为NiMoO4。在等离子热喷涂和高温摩擦过程中，热力耦合作用促使摩擦表面形成由二元氧化物(NiO)和三元氧化物(ZnMoO4和NiMoO4)等润滑相组成的摩擦层，从而降低了复合涂层的摩擦系数和磨损率。
3、经测试，本发明所得的涂层与耐高温金属或氧化铝陶瓷作配副时，其在高温（800℃）的摩擦系数≦0.3，磨损率＜10×10-5mm3/(N·m)，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。
4、本发明原料易得，制备方法简单、成本低。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1 为本发明复合涂层在800℃摩擦试验后磨痕内外Raman谱图。
具体实施方式
实施例1 一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴将100g市售ZnO粉末加入到900g 的75℃的5wt.%的聚乙烯醇水溶液中，磁力搅拌1h，然后于100℃的烘干10h，随后机械破碎并过筛得到38~75 μm的团聚ZnO粉末。
⑵将1800g商用Ni基合金粉、100g MoO3粉末与100g团聚ZnO粉末机械混合均匀后，即得2000g、粒径为-110+15 μm的混合喷涂粉。
⑶将S31008耐高温金属基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体。
⑷将处理后的金属基体固定在喷涂台上，并将商用Ni基合金粉装入等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数：氩气流量为35 L/min、H2流量为5 L/min，粉末流量为37g/min，喷涂距离为100 mm，电流为550 A，电压为55 V。然后，将该商用Ni基合金粉喷涂在处理后的金属基体上，得到粘结层。
⑸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：氩气流量为40 L/min、H2流量为6 L/min，粉末流量为40 g/min，喷涂距离为80mm，电流为600 A，电压为60 V。然后，将该混合喷涂粉喷涂在粘结层表面，即得金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层。
所得的金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层经测试：该涂层厚度为340 μm，结合强度为35 MPa。
用球盘式高温摩擦试验机表征该涂层在室温、400℃、800℃、900℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al2O3球。结果如表1所示。
表1 实施例1涂层与Al2O3球配副的摩擦磨损数据
Figure 20208DEST_PATH_IMAGE001
实施例2 一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴团聚ZnO粉末的制备同实施例1。
⑵将1500g商用Co基合金粉末、300g MoO3粉末与200g团聚ZnO粉末机械混合均匀后，即得2000g、粒径为-110+15 μm的混合喷涂粉。
⑶将TC4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。
⑷将处理后的金属基体固定在喷涂台上，并将商用Co基合金粉末装入等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数：氩气流量为35 L/min、H2流量为5 L/min，粉末流量为37g/min，喷涂距离为100 mm，电流为550 A，电压为55 V。然后，将该商用Co基合金粉末喷涂在处理后的金属基体上，得到粘结层。
⑸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：氩气流量为47 L/min、H2流量为7 L/min，粉末流量为40 g/min，喷涂距离为80mm，电流为600 A，电压为60 V。然后，将该混合喷涂粉喷涂在粘结层表面，即得金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层。
所得的金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层经测试：涂层厚度为370 μm，结合强度为32 MPa。
用球盘式高温摩擦试验机表征该涂层在室温、400℃、800℃、900℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al2O3球。结果如表2所示。
表2 实施例2涂层与Al2O3球配副的摩擦磨损数据
Figure 602368DEST_PATH_IMAGE002
实施例3 一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴团聚ZnO粉末的制备同实施例1。
⑵将1250g商用Fe基合金粉末、400g MoO3粉末与350g团聚ZnO粉末机械混合均匀后，即得2000g、粒径为-110+15 μm的混合喷涂粉。
⑶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。
⑷将处理后的金属基体固定在喷涂台上，并将商用Fe基合金粉末装入等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数：氩气流量为40 L/min、H2流量为8 L/min，粉末流量为30g/min，喷涂距离为100 mm，电流为500 A，电压为50 V。然后，将该商用Fe基合金粉末喷涂在处理后的金属基体上，得到粘结层。
⑸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：氩气流量为45 L/min、H2流量为8 L/min，粉末流量为30 g/min，喷涂距离为80mm，电流为500 A，电压为50 V。然后，将该混合喷涂粉喷涂在粘结层表面，即得金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层。
所得的金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层经测试：涂层厚度为350 μm，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℃、900℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al2O3球。结果如表3所示。
表3 实施例3涂层与Al2O3球配副的摩擦磨损数据
Figure 416740DEST_PATH_IMAGE003
实施例4 一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴团聚ZnO粉末的制备同实施例1。
⑵将1200g商用Ti基合金粉末、400g MoO3粉末与400g团聚ZnO粉末机械混合均匀后，即得2000g、粒径为-110+15 μm的混合喷涂粉。
⑶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。
⑷将处理后的金属基体固定在喷涂台上，并将商用Ti基合金粉末装入等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数：氩气流量为45 L/min、H2流量为6 L/min，粉末流量为40g/min，喷涂距离为100 mm，电流为600 A，电压为60 V。然后，将该商用Ti基合金粉末喷涂在处理后的金属基体上，得到粘结层。
⑸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：氩气流量为45 L/min、H2流量为8 L/min，粉末流量为35 g/min，喷涂距离为80mm，电流为550 A，电压为55 V。然后，将该混合喷涂粉喷涂在粘结层表面，即得金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层。
所得的金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层经测试：涂层厚度为310 μm，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℃、900℃的摩擦磨损性能，使用的对偶为Al2O3球。结果如表4所示。
表4 实施例4涂层与Al2O3球配副的摩擦磨损数据
Figure 176885DEST_PATH_IMAGE004
上述实施例1~4中，聚乙烯醇水溶液是指聚乙烯醇与水按5：95的质量比（g/g）混合均匀制得。
商用金属粉末的粒径为-110+15 μm【即110 μm~15 μm之间】。
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。

Claims (5)

1.一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴将市售ZnO粉末加入到75℃的5wt.%的聚乙烯醇水溶液中，磁力搅拌1h，然后于100℃的烘干10h，随后机械破碎并过筛得到38~75 μm的团聚ZnO粉末；所述市售ZnO粉末与所述聚乙烯醇水溶液的质量比为1：9；
⑵按质量百分比，将商用金属粉末60~90 wt%、MoO3粉末5~20 wt.%与团聚ZnO粉末5~20wt.%机械混合均匀后，即得粒径为-110+15 μm的混合喷涂粉；
⑶将金属基体进行表面粗化和清洗，得到处理后的金属基体；
⑷将所述处理后的金属基体固定在喷涂台上，并将所述商用金属粉末装入等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数后，将该商用金属粉末喷涂在所述处理后的金属基体上，得到粘结层；所述等离子喷涂工艺参数是指氩气流量为35~45 L/min、H2流量为5~8 L/min，粉末流量为30~40 g/min，喷涂距离为100 mm，电流为500~600 A，电压为50~60 V；
⑸将所述混合喷涂粉装入所述等离子喷涂设备送粉器中，设定喷涂工艺参数后，将该混合喷涂粉喷涂在所述粘结层表面，即得金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层；所述等离子喷涂工艺参数是指氩气流量为40~47 L/min、H2流量为6~8 L/min，粉末流量为30~40g/min，喷涂距离为80mm，电流为500~600 A，电压为50~60 V。
2.如权利要求1所述的一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，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5：95的质量比混合均匀制得。
3.如权利要求1所述的一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中商用金属粉末是指含有镍基、铁基、钴基或钛基的金属合金粉末，粒径为-110+15 μm。
4.如权利要求1所述的一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶金属基体中为含有镍基、铁基或钛基的高温合金基体。
5.如权利要求1所述的一种金属陶瓷基高温润滑抗磨复合材料涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷或所述步骤⑸中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。
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