CN113186524A - 一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层，所述防护涂层由复合粉体制备而成，所述复合粉体按质量百分比包括：85wt％～90wt％金属陶瓷粉末、5wt％～10wt％WS2粉末、5wt％～10wt％氟化物粉末，所述氟化物粉末由CeF3、LaF3按照质量比1:1混合而成，该防护涂层耐磨性能好，本发明还公开一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层的制备方法，该方法操作简单，获得的防护涂层与基材结合强度高。

Description

一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂层防护技术领域，尤其涉及一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层及其制备方法。
背景技术
随着发动机的发展，燃烧室的温度不断提升，各种热端部件工作环境愈发恶劣，需要在燃烧室内壁形成防护涂层，以保证基体材料使用过程中不会超过其最高使用温度，从而保证热端部件的使用寿命尽可能延长。
传统制备涂层的方法较多，如粉末法、浆料法、气相沉积、真空喷镀、浸入法、高温喷涂法及焊接熔覆等方法。其中热喷涂是一种应用极为广泛的涂层制备方法。该方法制备涂层成本较低、制备效率高。但该技术制备的涂层存在一定的孔隙率，且涂层与基材之间为机械嵌合，结合强度不高，在高温及应力状态下易发生开裂或剥离，该方法所制备的涂层不宜在高载荷，高速工作的零部件应用。
为此，亟需提供一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层及其制备方法，以获得致密度高、结合强度好的防护涂层。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有孔隙率高、结合强度低的问题，而提出的一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层，所述防护涂层由复合粉体制备而成，所述复合粉体按质量百分比包括：85wt％～90wt％金属陶瓷粉末、5wt％～10wt％WS2粉末、5wt％～10wt％氟化物粉末，所述氟化物粉末由CeF3、LaF3按照质量比1:1混合而成。
所述金属陶瓷粉末由1wt％～3wt％的微量元素、30wt％～35wt％为Cr3C2和余量为NiCr组成。
所述微量元素包括稀土元素、硅、硼和氧化镧中一种或几种。
所述防护涂层厚度为1～3mm。
为了实现上述目的，本发明还采用了如下技术方案：一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层的制备方法，其包括：
第一步、获得复合粉体；
第二步、复合粉体制成涂覆物并涂在预处理的基材表面，获得预置涂层；
第三步、利用激光束对所得预置涂层表面进行扫描，使预置涂层接受激光照射后熔化。
第一步具体采用如下方法：将CeF3粉末和LaF3粉末按照质量比1:1的比例混合得到氟化物粉末，然后将85wt％金属陶瓷粉末、5wt％～10wt％WS2粉末、5wt％～10wt％氟化物粉末混合，通过高能球磨以及网筛过程，制得复合粉体。
第二步具体采用如下方法：将复合粉体用粘结剂调制成糊状后均匀涂覆在已经预处理后的基材表面，涂覆厚度为1～3mm，在50℃烘干箱中静置后获得预置涂层。
第三步中所述激光熔覆参数包括：激光功率为1500～3000W，扫描线速度为0.05～0.3m/s，离焦量为30～90mm。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)利用激光熔覆技术激光束能量密度集中，利用率高，且在惰性气体条件下加工避免了氧化反应的发生，制备出致密度高、与基材结合强度好的防护涂层，解决了传统涂层高温下耐磨性下降的问题。
(2)采用激光熔覆的工艺制备宽温域防护涂层，工艺简单，涂层厚度适中，制备效率高，生产成本低，可大面积制备，适于产业化化生产，进一步拓宽了合金的应用领域。
附图说明
图1为本发明实施例1、2、3中制得的防护涂层的XRD图谱；
图2为本发明实施例1中制得的防护涂层的截面形貌；
图3为本发明实施例1中制得的防护涂层经高温磨损试验后涂层表面的主要元素分布情况；
图4为本发明实施例1中制得的防护涂层经磨损试验后涂层表面的磨损形貌图；
图5为本发明高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层的制备方法框图；
图6为本发明中表1的折线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层，所述防护涂层形成于燃烧室内壁基材表面，起到耐磨作用。
在本实施例中，防护涂层的厚度为1～3mm，涂层致密无气孔裂纹等缺陷。
防护涂层由复合粉体制备而成，复合粉体按质量百分比包括：85wt％～90wt％金属陶瓷粉末、5wt％～10wt％WS2粉末、5wt％～10wt％氟化物粉末；
在本实施例中，金属陶瓷粉末由1wt％～3wt％的微量元素、30wt％～35wt％为Cr3C2和余量为NiCr组成，所述微量元素包括稀土元素、硅、硼和氧化镧中一种或几种。
在本实施例中，氟化物粉末由CeF3、LaF3按照质量比1:1混合而成。
本发明还提供了一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层的制备方法，所述防护涂层厚度为1～3mm，如图5所示，所述制备方法包括：
步骤S1、获得混合均匀的复合粉体；
本步骤具体采用如下方法：将CeF3粉末和LaF3粉末按照质量比1:1的比例混合得到氟化物粉末，然后将85wt％金属陶瓷粉末、5wt％～10wt％WS2粉末、5wt％～10wt％氟化物粉末混合，通过高能球磨以及网筛过程，制备出具有高松装密度和良好流动性、呈球形或近球形结构的复合粉体。
步骤S2、对基材表面进行预处理；
本步骤具体采用如下方法：将基材进行清洗，采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂处理，使其表面粗糙，提高涂层与基材的结合强度。
在其他实施例中，基材表面粗糙处理也可采用车螺纹、滚花、电拉毛等。
步骤S3、制得复合粉体涂覆物并涂覆在预处理后的基材表面；
本步骤具体采用如下方法：将复合粉体用粘结剂(二丙酮醇+乙酸纤维素)调制成糊状后均匀涂覆在已经预处理后的基材表面，涂覆厚度为1～3mm，在50℃烘干箱中静置6小时后获得预置涂层。
在其他实施例中，干燥方式还可以采用包括风干、晾干等。
步骤S4、在惰性气体的保护氛围下，利用激光束对步骤S3中所得预置涂层表面进行扫描，使复合粉体接受激光照射后熔化，元素充分扩散，得到冶金结合的宽温域防护涂层。
所述激光熔覆参数包括：激光功率为1500～3000W，扫描线速度为0.05～0.3m/s，离焦量为30～90mm，惰性气体气压为5～15MPa，氩气/二氧化碳为5～20。
实施例1
步骤S1、获得混合均匀的复合粉体；
本步骤具体采用如下方法：将CeF3粉末和LaF3粉末按照质量比1:1的比例混合得到氟化物粉末，然后将85wt％金属陶瓷粉末、7.5wt％WS2粉末、7.5wt％氟化物粉末混合，通过高能球磨以及网筛过程，制备出具有高松装密度和良好流动性、呈球形或近球形结构的混合复相金属陶瓷粉末。
步骤S2、对基材表面进行预处理；
本步骤具体采用如下方法：将基材进行清洗，采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂处理，使其表面粗糙，提高涂层与基材的结合强度。
在其他实施例中，基材表面粗糙处理也可采用车螺纹、滚花、电拉毛等。
步骤S3、制得复合粉体涂覆物并涂覆在预处理后的基材表面；
本步骤具体采用如下方法：将复合粉体用粘结剂(二丙酮醇+乙酸纤维素)调制成糊状后均匀涂覆在已经预处理后的基材表面，涂覆厚度为1～3mm，在50℃烘干箱中静置6小时后获得预置涂层。
在其他实施例中，干燥方式还可以采用包括风干、晾干。
步骤S4、在惰性气体的保护氛围下，利用激光束对步骤S3中所得预置涂层表面进行扫描，使复合粉体接受激光照射后熔化，元素充分扩散，得到冶金结合的宽温域自润滑耐磨涂层。
所述激光熔覆参数包括：激光器功率为2700W，光斑移动线速度为0.12m/s，离焦量为45mm，搭接率40％，惰性气体气压为8MPa，氩气/二氧化碳为10。
在本实施例中，所述防护涂层厚度为2mm。
实施例2
将CeF3粉末和LaF3粉末按照质量比1:1的比例混合得到氟化物粉末，然后将85wt％金属陶瓷粉末、5wt％WS2粉末、10wt％氟化物粉末混合，其他制备条件与实施例1中完全相同。
实施例3
将CeF3粉末和LaF3粉末按照质量比1:1的比例混合得到氟化物粉末，然后将85wt％金属陶瓷粉末、10wt％WS2粉末、5wt％氟化物粉末混合，其他制备条件与实施例1中完全相同。
实施例4
不添加WS2粉末和氟化物粉末，仅使用金属陶瓷粉末，其他制备条件与实施例1中完全相同。
实施例5
将90wt％金属陶瓷粉末和10wt％WS2粉末混合，其他制备条件与实施例1中完全相同。
实施例6
将CeF3粉末和LaF3粉末按照质量比1:1的比例混合得到氟化物粉末，将90wt％金属陶瓷粉末和10wt％氟化物粉末混合，其他制备条件与实施例1中完全相同。
实施例7
激光熔覆参数中激光功率采用2500W，光斑移动线速度为0.10m/s，离焦量为45mm，其他原料成分和制备条件与实施例1中完全相同。
实施例8
激光熔覆参数中激光功率采用2300W，光斑移动线速度为0.12m/s，离焦量为40mm，其他原料成分和制备条件与实施例1中完全相同。
实施例9
激光熔覆参数中搭接率采用50％，其他原料成分和制备条件与实施例1中完全相同。
实施例1～9利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)对所制备的涂层样品进行表征，结果如图1、图2、图3和图4所示。
图1是实施例1、2、3中制得的防护涂层的XRD图谱：C1涂层中并未观察到WS2特征峰，说明在此成分比例下WS2大多数已分解。C2和C3涂层中存在WS2、CeO2、CrxSy等润滑相的存在，且C3有少量La2O3稳存在，这些润滑相是涂层具有优异减摩抗磨性能的原因，存在Ni和Fe的化合物的衍射峰，说明涂层与基材呈冶金结合。
图2是实施例1中制得的防护涂层的截面形貌：图2(a)为激光熔覆耐磨涂层在较低放大倍数下的整体轮廓情况。图2(b)为涂层底部结合区域的局部放大情况，可以看出涂层和基材之间存在一条明亮的界线，经EDS分析A区域应为Ni元素和Fe元素生成的γ相和Ni元素与W元素反应生成的Ni17W3共晶组织，B区域为C元素和Cr元素生成的复合碳化物。而图2(c)为涂层中间区域的局部放大情况，经EDS分析层片状的组织C含有相当的Ni和Cr元素以及S元素，推测应为NiS和CrxSy共晶组织。团簇状组织D，经分析应为LaF3和CeO2的共晶体。而图2(d)为涂层顶部的局部放大情况，弥散分布的黑色斑点物质E分析是未分解的部分WS2。
图3是实施例1中制得的防护涂层经高温磨损试验后涂层表面的主要元素分布情况：从图3可以看出复合涂层高温磨损后磨损区域和未磨损区域的Ni、Cr、Fe元素含量基本相同，磨损前后元素的分布几乎没有发生变化。这可以说明该涂层在其表面和厚度方向上三种主要元素分布均匀，也就意味着该涂层的各处性能是一致的，这对高温下涂层的连续工作是有益的。
图4是实施例1中制得的防护涂层经磨损试验后涂层表面的磨损形貌图，可以看出室温时磨痕表面基本光滑；400℃时，涂层表面存在较多的釉层；800℃时，涂层表面出现较多的氧化膜。上述情况说明在室温到800℃，该复合涂层能有效降低摩擦，减少磨损。
实施例1～9利用HT-1000型高温摩擦磨损试验机对涂层室温到800℃的耐磨性能进行测试，试验载荷50N，时间30分钟，结果如表1和图6所示，其中，表1为同等实验条件下基材磨损量(未修饰涂层)与实施例1～9磨损量的差值，差值越大，说明涂层耐磨性能越好。
实施例 25℃下磨损量/mg 400℃下磨损量/mg 800℃、磨损量/mg
实施例1 4.82 6.59 8.71
实施例2 3.95 6.41 8.87
实施例3 4.73 6.49 7.91
实施例4 3.21 2.46 2.57
实施例5 5.02 5.46 3.95
实施例6 3.04 5.47 8.65
实施例7 4.65 6.21 8.57
实施例8 4.32 6.01 8.63
实施例9 5.02 6.37 8.43
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层，其特征在于，所述防护涂层由复合粉体制备而成，所述复合粉体按质量百分比包括：85wt％～90wt％金属陶瓷粉末、5wt％～10wt％WS2粉末、5wt％～10wt％氟化物粉末，所述氟化物粉末由CeF3、LaF3按照质量比1:1混合而成。
2.根据权利要求1所述的高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层，其特征在于，所述金属陶瓷粉末由1wt％～3wt％的微量元素、30wt％～35wt％为Cr3C2和余量为NiCr组成。
3.根据权利要求2所述的高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层，其特征在于，所述微量元素包括稀土元素、硅、硼和氧化镧中一种或几种。
4.根据权利要求1所述的高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层，其特征在于：所述防护涂层厚度为1～3mm。
5.一种高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层的制备方法，其特征在于，其包括：
第一步、获得复合粉体；
第二步、复合粉体制成涂覆物并涂在预处理的基材表面，获得预置涂层；
第三步、利用激光束对所得预置涂层表面进行扫描，使预置涂层接受激光照射后熔化。
6.根据权利要求5所述的高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层的制备方法，其特征在于，第一步具体采用如下方法：将CeF3粉末和LaF3粉末按照质量比1:1的比例混合得到氟化物粉末，然后将85wt％金属陶瓷粉末、5wt％～10wt％WS2粉末、5wt％～10wt％氟化物粉末混合，通过高能球磨以及网筛过程，制得复合粉体。
7.根据权利要求6所述的高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层的制备方法，其特征在于，第二步具体采用如下方法：将复合粉体用粘结剂调制成糊状后均匀涂覆在已经预处理后的基材表面，涂覆厚度为1～3mm，在50℃烘干箱中静置后获得预置涂层。
8.根据权利要求6所述的高温摩擦环境下燃烧室内壁防护涂层的制备方法，其特征在于，第三步中所述激光熔覆参数包括：激光功率为1500～3000W，扫描线速度为0.05～0.3m/s，离焦量为30～90mm。
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