CN112317275A

CN112317275A - 一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层及其制备

Info

Publication number: CN112317275A
Application number: CN202011200364.6A
Authority: CN
Inventors: 徐海燕; 陈磊; 万宏启; 周惠娣
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2021-02-05

Abstract

本发明涉及一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层，该涂层由厚度为1~2微米的底层涂料、厚度为1~2微米的中间层涂料和厚度为3~4微米的面层涂料组成。同时，本发明还公开了该涂层的制备方法。本发明涂层厚度为3~8微米，对金属底材附着良好，涂层抗冲击性和柔韧性好，具有优异的自润滑性能、防粘性能和耐温性，涂层在‑40~260℃下能够正常使用，可推广应用于其他领域相关精密运动机构零部件上，解决精密运动部件之间的磨损与粘着问题，起到有效的润滑与防粘附作用。

Description

一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层及其制备

技术领域

本发明涉及自润滑涂层技术，尤其涉及一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层及其制备。

背景技术

为解决新一代直升飞机装配的系列发动机功率不足、防砂能力弱、操纵性差等问题，我国购进进口发动机，并与国外合作，引进部分专利，部分国产化，开展系列发动机的研制，以替代80年代从国外引进的发动机，用于装配4吨以上新型直升机。这些发动机燃油系统和测扭系统上使用许多精密零件，这些精密零件与对象件之间存在很小的间隙并发生微运动或小角度扭转，从而产生摩擦磨损与粘着，因此，需要在这些精密零件表面涂敷厚度仅为3~8微米且具有自润滑性能的涂层，这种涂层需具有化学惰性、不可润湿性、防粘附以及在无油状况下具有润滑作用，可在-200℃~260℃的温度范围内使用。

聚四氟乙烯涂层具有优异的润滑性能、不可润湿性、防粘附性及耐温性，但是聚四氟乙烯表面能低，与金属基体的粘结力差。CN1583904 A专利发明了一种自润滑防粘附涂层，这种涂层以纤维素硝酸酯和聚丙烯酸树脂的混合物为成膜物质，聚四氟乙烯乳液为润滑剂，添加陶瓷填料等，聚四氟乙烯作为润滑剂通过其他树脂粘附在金属基体表面，这种涂层厚度在20±5微米左右时才能更好地体现涂层的优异润滑与防粘附性能，如此厚度不适合涂覆于精密零件之间。

因此，提高聚四氟乙烯涂层与金属基体间的结合力，从而发挥聚四氟乙烯涂层在薄的厚度范围内的优良性能是解决精密零部件之间的摩擦与粘着问题的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在薄的厚度范围内具有优良性能的发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层的制备。

为解决上述问题，本发明所述的一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层，其特征在于：该涂层由厚度为1~2微米的底层涂料、厚度为1~2微米的中间层涂料和厚度为3~4微米的面层涂料组成。

所述底层涂料是指将三氧化铬14~16 wt %、磷酸15~1 wt 7%、蒸馏水67~71 wt %混合后，搅拌至溶解均匀制得。

所述中间层涂料是指聚全氟乙丙烯浓缩分散液，其固含量为56±3%，粘度10.5±0.3 Pa·s，粒径分布范围在50~1100nm。

所述面层涂料是指聚四氟乙烯浓缩分散液，其固含量为62±3%，粘度11.5±0.3Pa·s，粒径分布范围在100~700nm。

如上所述的一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层的制备方法，其特征在于：首先用喷枪将所述底层涂料快速在零件表面扫一遍，放入100±5℃烘箱中固化10~15min，形成底层；然后用喷枪将所述中间层涂料快速在零件底层上面扫一遍，放入380±5℃烘箱中固化40~50min，形成中间层；最后用喷枪将所述面层涂料快速在所述中间层表面扫1~2遍然后放入380±5℃烘箱中固化40~50min，形成面层，即得自润滑防粘附耐温涂层。

喷涂每一层时喷涂压力为0.1~0.3 MPa，所述喷枪的喷嘴与所述零件成70~90°角，距离为20±5 cm，并沿同一方向均匀快速移动所述喷枪。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、为了保证薄涂层有效润滑性和防粘性能，本发明选择聚四氟乙烯即用作成膜物质，又用作润滑剂。同时本发明涂层由底层、中间层和面层三部分组成，每一层按照一定的喷涂工艺在零件表面上喷涂固化制备而成，所得涂层厚度仅有3~8微米。

2、本发明中底层为磷酸与铬酸的混合酸液，其主要作用是通过腐蚀增加面层与基体间的结合力。同时，采用混合酸液是充分考虑了润滑剂的涂敷工艺、表面干燥速度和成膜时间。下式为酸液与基体相互作用的反应机理：

由于酸液中铬酸为紫红色，同时其具有强氧化性，在喷涂到基体时，会与基体中活性金属材料发生氧化反应，同时Cr⁶⁺会被还原为Cr³⁺，而铬在还原状态下会呈现出绿色，因此随反应的进行，基体材料表面会呈现为二者之间的过渡色黄绿色。另外，由于基材的种类及反应程度的差别颜色会有一定的差别。

3、本发明中作为面层（即PTFE层）与基体间的过渡层的中间层选择聚全氟乙丙烯（FEP），FEP具有较低的摩擦系数及抗粘性，同时，在其分子结构中含有氟代乙烯，与PTFE具有良好的相容性；另一方面其含有CF₃键，可增加与基体之间的结合力。

4、对本发明涂层进行检测，本发明涂层对金属底材附着良好，涂层抗冲击性和柔韧性好，具有优异的自润滑性能、防粘性能和耐温性，涂层在-40~260℃下能够正常使用。涂层厚度一般是3~8微米，但可根据需要进行调整。该发明涂层已经应用于新一代直升机装配的发动机多种零部件上，涂覆该涂层的计量油针、离合器及齿条等精密零件装配于国产批发动机上通过了150小时持久试车试验，并已在型号发动机上获得良好的应用。该涂层同时可推广应用于其他领域相关精密运动机构零部件上，解决精密运动部件之间的磨损与粘着问题，起到有效的润滑与防粘附作用。

表2 本发明涂层的主要性能指标

*在济南试验机厂生产的环块摩擦磨损试验机上测定。将本产品喷涂在12mm×12mm×19mm的试块中的12mm×19mm的任一面上制成规定厚度的涂层，与ø49mm×10mm的渗碳钢环对磨，速度为2.5m/s，载荷为98N，测定涂层的耐磨性和摩擦系数。涂层的耐磨性用单位膜厚所走的摩擦行程m/µm来表示。

**在瑞士进口的CSM摩擦试验机上测定。将本产品喷涂在高度5~20 mm、长度＜50mm、宽度8~40mm的试块的一面制成规定厚度的涂层，与ø12mm的钢球对磨，频率10Hz，振幅2.5mm，负荷15N，测定涂层的耐磨性和摩擦系数。涂层的耐磨性用涂层磨穿时的摩擦时间min来表示。

具体实施方式

一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层，该涂层由厚度为1~2微米的底层涂料、厚度为1~2微米的中间层涂料和厚度为3~4微米的面层涂料组成。

该涂层的制备方法：首先用喷枪将底层涂料快速在零件表面扫一遍（喷涂时应通过调节开枪大小及喷涂距离，保证酸液在基材表面均匀铺展，不能出现明显团聚状态），放入100±5℃烘箱中固化10~15min，形成底层；然后用喷枪将中间层涂料快速在零件底层上面扫一遍，放入380±5℃烘箱中固化40~50min，形成中间层；测定膜厚，依据膜厚数据，最后用喷枪将面层涂料快速在中间层表面扫1~2遍然后放入380±5℃烘箱中固化40~50min，形成面层，即得自润滑防粘附耐温涂层。喷涂每一层时喷涂压力为0.1~0.3 MPa，喷枪的喷嘴与零件成70~90°角，距离为20±5 cm，并沿同一方向均匀快速移动喷枪。

整个喷涂过程应该在清洁干燥、密闭的通风橱中进行。喷涂时应少量多次地将喷剂加到喷枪料斗中，并随时晃动喷枪，以防固体组份沉降。

其中：底层涂料是指将三氧化铬14~16 wt %、磷酸15~1 wt 7%、蒸馏水67~71 wt %混合后，搅拌至溶解均匀制得。

中间层涂料是指聚全氟乙丙烯浓缩分散液，其固含量为56±3%，粘度10.5±0.3Pa·s，粒径分布范围在50~1100nm。全氟乙丙烯浓缩分散液其粒径大小对涂层喷涂质量有较大影响，直接关系到涂层厚度及均匀性。

面层涂料是指聚四氟乙烯浓缩分散液，其固含量为62±3%，粘度11.5±0.3 Pa·s，粒径分布范围在100~700nm。聚四氟乙烯分散液其粒径大小对涂层喷涂质量有较大影响，直接关系到涂层厚度及均匀性。

聚全氟乙丙烯浓缩分散液、聚四氟乙烯浓缩分散液均由上海三爱富新材料股份有限公司提供。使用前将聚全氟乙丙烯浓缩分散液或聚四氟乙烯浓缩分散液在速度为60~100转/分钟、时间为20~30分钟的条件下分散均匀。

实施例1

1.制备底层：称取三氧化铬150g和磷酸165g于容器中，加入去离子水685g，搅拌至溶解均匀。零件喷砂清洗后备用。将配置好浓度的酸液倒入喷枪料筒中，开启喷枪在待喷涂表面快速扫一遍，喷涂压力调到0.2MPa，喷涂时应通过调节开枪大小及喷涂距离，保证酸液在基材表面均匀铺展，不能出现明显团聚状态，将喷好底层的零件置于100±5℃烘箱中保持10min后取出自然冷却。

2.制备中间层：称取聚全氟乙丙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为70转/分钟，并保持搅拌30分钟。喷涂中间层时，用喷枪在底层表面上快速喷一遍，置于380±5℃箱式烧结炉中保持45min，自然冷却后，测定涂层膜厚为2~3微米。

3.制备面层：称取聚四氟乙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为70转/分钟，并保持搅拌30分钟。依据以上第二步中间层的膜厚数据，在中间层表面快速喷涂2遍面层，置于380±5℃箱式烧结炉中保持40min，自然冷却后测定涂层厚度为6~8微米。

实施例2

1.制备底层：称取三氧化铬155g和磷酸165g于容器中，加入去离子水680g，搅拌至溶解均匀。零件喷砂清洗后备用。将配置好浓度的酸液倒入喷枪料筒中，开启喷枪在待喷涂表面快速扫一遍，喷涂压力调到0.2MPa，喷涂时应通过调节开枪大小及喷涂距离，保证酸液在基材表面均匀铺展，不能出现明显团聚状态，置于100±5℃烘箱中保持15min后取出自然冷却。

2.中间层制备：称取聚全氟乙丙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为80转/分钟，并保持搅拌25分钟。喷涂中间层时，用喷枪在底层表面上快速喷一遍，置于380±5℃箱式烧结炉中保持50min，自然冷却后，测定膜厚为2~4微米。

3.面层制备：称取聚四氟乙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为80转/分钟，并保持搅拌25分钟。依据以上第二步中间层的膜厚数据，在中间层表面快速喷涂1遍面层，置于380±5℃箱式烧结炉中保持50min，自然冷却后测定涂层厚度为5~7微米。

实施例3

1.制备底层：称取三氧化铬145g和磷酸160g于容器中，加入去离子水695g，搅拌至溶解均匀。零件喷砂清洗后备用。将配置好浓度的酸液倒入喷枪料筒中，开启喷枪在待喷涂表面快速扫两遍，喷涂压力调到0.3MPa，喷涂时应通过调节开枪大小及喷涂距离，保证酸液在基材表面均匀铺展，不能出现明显团聚状态，置于100±5℃烘箱中保持13min后取出自然冷却。

2.中间层制备：称取聚全氟乙丙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为90转/分钟，并保持搅拌20分钟。喷涂中间层时，用喷枪在底层表面上快速喷一遍，置于380±5℃箱式烧结炉中保持40min，自然冷却后，测定涂层厚度2~3微米。

3.面层制备：称取聚四氟乙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为70转/分钟，并保持搅拌25分钟。依据以上第二步中间层的膜厚数据，在中间层表面快速喷涂2遍面层，置于380±5℃箱式烧结炉中保持40min，自然冷却后测定涂层厚度为6~8微米。

实施例4：

1.制备底层：称取三氧化铬150g和磷酸160g于容器中，加入去离子水690g，搅拌至溶解均匀。零件喷砂清洗后备用。将配置好浓度的酸液倒入喷枪料筒中，开启喷枪在待喷涂表面快速扫一遍，喷涂压力调到0.15MPa，喷涂时应通过调节开枪大小及喷涂距离，保证酸液在基材表面均匀铺展，不能出现明显团聚状态，置于100±5℃烘箱中保持15min后取出自然冷却。

2.制备中间层：称取聚全氟乙丙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为60转/分钟，并保持搅拌30分钟。喷涂中间层时，用喷枪在底层表面上快速喷一遍，置于380±5℃箱式烧结炉中保持45min，自然冷却后，测定涂层厚度2~3微米。

3.制备面层：称取聚四氟乙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为60转/分钟，并保持搅拌30分钟。依据以上第二步中间层的膜厚数据，在中间层表面快速喷涂2遍面层，置于380±5℃箱式烧结炉中保持40min，自然冷却后测定涂层厚度为6~8微米。

实施例5

1.制备底层：称取三氧化铬150g和磷酸170g于容器中，加入去离子水680g，搅拌至溶解均匀。零件喷砂清洗后预热。将配置好浓度的酸液倒入喷枪料筒中，开启喷枪在待喷涂表面快速扫一遍，喷涂压力调到0.3MPa喷涂时应通过调节开枪大小及喷涂距离，保证酸液在基材表面均匀铺展，不能出现明显团聚状态，置于100±5℃烘箱中保持10min后取出自然冷却。

2.制备中间层：称取聚全氟乙丙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为65转/分钟，并保持搅拌30分钟以上。喷涂中间层时，用喷枪在底层表面上快速喷一遍，置于380±5℃箱式烧结炉中保持50min，自然冷却后，测定涂层厚度为3~4微米。

3.制备面层：称取聚四氟乙烯浓缩分散液1000g于容器中，调节搅拌速度为65转/分钟，并保持搅拌30分钟。依据以上第二步中间层的膜厚数据，在中间层表面快速喷涂1遍面层，置于380±5℃箱式烧结炉中保持40min，自然冷却后测定涂层厚度5~6微米。

Claims

1.一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层，其特征在于：该涂层由厚度为1~2微米的底层涂料、厚度为1~2微米的中间层涂料和厚度为3~4微米的面层涂料组成。

2.如权利要求1所述的一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层，其特征在于：所述底层涂料是指将三氧化铬14~16 wt %、磷酸15~1 wt 7%、蒸馏水67~71 wt %混合后，搅拌至溶解均匀制得。

3.如权利要求1所述的一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层，其特征在于：所述中间层涂料是指聚全氟乙丙烯浓缩分散液，其固含量为56±3%，粘度10.5±0.3 Pa·s，粒径分布范围在50~1100nm。

4.如权利要求1所述的一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层，其特征在于：所述面层涂料是指聚四氟乙烯浓缩分散液，其固含量为62±3%，粘度11.5±0.3 Pa·s，粒径分布范围在100~700nm。

5.如权利要求1所述的一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层的制备方法，其特征在于：首先用喷枪将所述底层涂料快速在零件表面扫一遍，放入100±5℃烘箱中固化10~15min，形成底层；然后用喷枪将所述中间层涂料快速在零件底层上面扫一遍，放入380±5℃烘箱中固化40~50min，形成中间层；最后用喷枪将所述面层涂料快速在所述中间层表面扫1~2遍然后放入380±5℃烘箱中固化40~50min，形成面层，即得自润滑防粘附耐温涂层。

6.如权利要求5所述的一种发动机整泵组件用自润滑防粘附耐温涂层的制备方法，其特征在于：喷涂每一层时喷涂压力为0.1~0.3 MPa，所述喷枪的喷嘴与所述零件成70~90°角，距离为20±5 cm，并沿同一方向均匀快速移动所述喷枪。