CN114908312A - 一种高温耐磨自润滑涂层材料、其制备方法、涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的涂层材料组分包括：Cr2O330～60wt％；Cu2～10wt％；Mo2～10wt％；余量为MCrAlYX合金，M为Co和/或Ni，X为Ta和/或Si。本发明提供的涂层材料以MCrAlYX合金作为粘接相，以Cr2O3作为硬质相，可在1000℃稳定服役，实现涂层优异的抗高温氧化性、涂层致密性和高温耐磨性；同时，通过添加一定量的Cu和Mo作为润滑剂，可在低温时提供出色的润滑性能，在高温时生成复合氧化物进一步起到润滑效果，并配合硬质相和粘接相生成的釉质氧化物，大大减少涂层的磨损率。实验结果表明，相比于未喷涂的GH4065A合金基体，表面喷涂本发明涂层材料后的磨损率降低了36倍以上。
Description
技术领域
本发明属于涂层技术领域，尤其涉及一种高温耐磨自润滑涂层材料、其制备方法、涂层及其制备方法。
背景技术
航空发动机和燃气轮机转动结构与非转动结构之间广泛使用封严技术减少气流损失，提升发动机性能。刷式封严是一种接触式零间隙封严技术，可极大减少气流泄漏量，增大发动机推力和效率。刷式封严的主要部件刷丝为一束捆扎在一起的高度密集、按一定角度规则排列的圆界面弹性金属细丝，在高温燃气条件下与跑道表面接触，为了降低刷丝与跑道表面的接触磨损，通常利用热喷涂技术在跑道表面制备一层高温耐磨自润滑涂层。
目前，国内已广泛采用NiCr-C3C2、NiCr-C3C2-BaF2CaF2涂层作为刷丝密封跑道耐磨涂层，使用温度大约650℃。制备工艺有激光熔覆、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂等，研究的单位有北京航空材料研究院、北京矿冶研究总院、中科院过程所等。国外报道了PS(PS200、PS212、PS300、PS400)系列的高温自润滑涂层，其以NiCo、NiCr或NiMoAl为粘接相，选择Cr3C2或Cr2O3为耐磨相，并复配Ag与CaF2BaF2共晶为润滑相形成复合耐磨自润滑涂层，在800℃以下具有较好的高温润滑效果。
随着发动机性能的提升，燃气温度也不断提高，服役工况也越发苛刻，亟需更高服役温度和更好耐磨性能的涂层。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高温耐磨自润滑涂层材料、其制备方法、涂层及其制备方法，以解决现有技术涂层防护温度及耐磨性能差的问题。
本发明提供了一种高温耐磨自润滑涂层材料，以重量百分数计，其组分包括：
Cr2O3 30～60％；
Cu 2～10％；
Mo 2～10％；
余量为MCrAlYX合金，M为Co和/或Ni，X为Ta和/或Si。
优选的，以重量百分数计，所述MCrAlYX合金的成分包括：
优选的，所述MCrAlYX合金为NiCoCrAlYTa合金。
优选的，以重量百分数计，所述NiCoCrAlYTa合金的成分包括：
本发明提供了一种上述技术方案所述高温耐磨自润滑涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
将Cr2O3粉末、Cu粉末、Mo粉末和MCrAlYX合金粉末进行机械混合，或者进行球磨混合再造粒，得到高温耐磨自润滑涂层材料。
优选的，Cr2O3粉末的粒径为10～45μm；所述Cu粉末的粒径为15～45μm；所述Mo粉末的粒径为74～178μm；所述MCrAlYX合金粉末的粒径为18～45μm。
优选的，采用所述球磨混合再造粒的方式制备的高温耐磨自润滑涂层材料的粒径为10～106μm。
本发明提供了一种涂层，包括底层和面层；其中，所述底层的材料为MCrAlYX合金；所述面层的材料为上述技术方案所述的高温耐磨自润滑涂层材料或上述技术方案所述制备方法制得的高温耐磨自润滑涂层材料。
优选的，所述底层的厚度为80～150μm；所述面层的厚度为100～700μm。
本发明提供了一种涂层的制备方法，包括以下步骤：
在基体表面依次喷涂底层涂料和面层涂料，得到双层结构涂层；
所述底层涂料为MCrAlYX合金粉末；
所述面层涂料为上述技术方案所述的高温耐磨自润滑涂层材料或上述技术方案所述制备方法制得的高温耐磨自润滑涂层材料。
与现有技术相比，本发明提供了一种高温耐磨自润滑涂层材料、其制备方法、涂层及其制备方法。本发明提供的涂层材料组分包括：Cr2O330～60wt％；Cu 2～10wt％；Mo 2～10wt％；余量为MCrAlYX合金，M为Co和/或Ni，X为Ta和/或Si。本发明提供的涂层材料以MCrAlYX合金作为粘接相，以Cr2O3作为硬质相，可在1000℃稳定服役，实现涂层优异的抗高温氧化性、涂层致密性和高温耐磨性；同时，通过添加一定量的Cu和Mo作为润滑剂，可在低温时提供出色的润滑性能，在高温时生成复合氧化物进一步起到润滑效果，并配合硬质相和粘接相生成的釉质氧化物，大大减少涂层的磨损率。实验结果表明，相比于未喷涂的GH4065A合金基体，表面喷涂本发明涂层材料后的磨损率降低了36倍以上。本发明提供的涂层包括底层和面层；其中，所述底层的材料为MCrAlYX合金；所述面层的材料为所述的高温耐磨自润滑涂层材料。本发明提供的涂层采用双层结构，相比采用单一涂层，双层结构增强了涂层与基体的匹配性，延长了涂层的使用寿命。实验结果表明，本发明提供的涂层可在800～1000℃长期使用，800℃与1000℃水淬热震寿命＞50次。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的NiCoCrAlYTa-30wt％Cr2O3-5wt％Cu-5wt％Mo造粒粉末在×800倍率下的扫描电镜(SEM)图；
图2是本发明实施例1提供的NiCoCrAlYTa-30wt％Cr2O3-5wt％Cu-5wt％Mo造粒粉末在×200倍率下的SEM图；
图3是本发明实施例1提供的NiCoCrAlYTa-30wt％Cr2O3-5wt％Cu-5wt％Mo复合涂层在×100倍率下的SEM图；
图4是本发明实施例1提供的NiCoCrAlYTa-30wt％Cr2O3-5wt％Cu-5wt％Mo复合涂层在×800倍率下的SEM图。
具体实施方式
下面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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种高温耐磨自润滑涂层材料，以重量百分数计，其组分包括：Cr2O330～60％；Cu 2～10％；Mo 2～10％；余量为MCrAlYX合金，M为Co和/或Ni，X为Ta和/或Si。
在本发明提供的涂层材料中，以重量百分数计，所述MCrAlYX合金的成分优选包括：Cr 15～30％；Al 5～15％；Y 0.3～1.5％；X 1.5～6％；余量为M。
在本发明提供的涂层材料中，MCrAlYX合金中，所述Cr的含量具体可为15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、19.74wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、28.11wt％、29wt％或30wt％；所述Al的含量具体可为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、8.36wt％、9wt％、9.07wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％或15wt％；所述Y的含量具体可为0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.53wt％、0.58wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％或1.5wt％；所述X的含量具体可为1.5wt％、1.92wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％或6wt％。
在本发明提供的涂层材料中，所述MCrAlYX合金优选为NiCoCrAlYTa合金；以重量百分数计，所述NiCoCrAlYTa合金的成分优选包括：Co 20～26％；Cr 18～23％；Al 6～11％；Y 0.3～0.9％；Ta 2～6％；余量为Ni。
在本发明提供的涂层材料中，NiCoCrAlYTa合金中，所述Co的含量具体可为20wt％、21wt％、22wt％、22.96wt％、23wt％、24wt％、25wt％或26wt％；所述Cr的含量具体可为18wt％、19wt％、19.74wt％、20wt％、21wt％、22wt％或23wt％；所述Al的含量具体可为6wt％、7wt％、8wt％、8.36wt％、9wt％、10wt％或11wt％；所述Y的含量具体可为0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.58wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％或0.9wt％；所述Ta的含量具体可为2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％或6wt％。
在本发明提供的涂层材料中，所述Cr2O3在涂层材料中的含量具体可为30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％、35wt％、36wt％、37wt％、38wt％、39wt％、40wt％、41wt％、42wt％、43wt％、44wt％、45wt％、46wt％、47wt％、48wt％、49wt％、50wt％、51wt％、52wt％、53wt％、54wt％、55wt％、56wt％、57wt％、58wt％、59wt％或60wt％。
在本发明提供的涂层材料中，所述Cu在涂层材料中的含量具体可为2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％或10wt％。
在本发明提供的涂层材料中，所述Mo在涂层材料中的含量具体可为2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％或10wt％。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的高温耐磨自润滑涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
将Cr2O3粉末、Cu粉末、Mo粉末和MCrAlYX合金粉末进行机械混合，或者进行球磨混合再造粒，得到高温耐磨自润滑涂层材料。
在本发明提供的制备方法中，所述Cr2O3粉末的粒径优选为10～45μm；所述Cu粉末的粒径为15～45μm；所述Mo粉末的粒径为74～178μm；所述MCrAlYX合金粉末的粒径为18～45μm。
在本发明提供的制备方法中，当采用所述球磨混合再造粒的方式制备涂层材料时，则制得的涂层材料的粒径优选为10～106μm。
本发明还提供了一种涂层，包括底层和面层；其中，所述底层的材料为MCrAlYX合金；所述面层的材料为上述技术方案所述的高温耐磨自润滑涂层材料或上述技术方案所述制备方法制得的高温耐磨自润滑涂层材料。
在本发明提供的涂层中，所述底层和面层中的MCrAlYX合金的组分优选相同。
在本发明提供的涂层中，所述底层的厚度优选为80～150μm，具体可为80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm或150μm。
在本发明提供的涂层中，所述面层的厚度为100～700μm，具体可为100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm或700μm。
本发明还提供了一种涂层的制备方法，包括以下步骤：
在基体表面依次喷涂底层涂料和面层涂料，得到双层结构涂层；
所述底层涂料为MCrAlYX合金粉末；
所述面层涂料为上述技术方案所述的高温耐磨自润滑涂层材料或上述技术方案所述制备方法制得的高温耐磨自润滑涂层材料。
在本发明提供的涂层制备方法中，所述基体包括但不限于高温合金，具体可为GH4065A高温合金。
在本发明提供的涂层制备方法中，所述底层涂料和面层涂料中的MCrAlYX合金的组分优选相同。
在本发明提供的涂层制备方法中，所述喷涂的方式优选为大气等离子喷涂或超音速火焰喷涂。
在本发明提供的涂层制备方法中，当采用所述大气等离子喷涂的方式喷涂所述底层涂料时，其工艺参数为：电流优选为300～700A，更优选为500A；氩气流量优选为40～70NLPM，更优选为55NLPM；氢气流量优选为5～15NLPM，更优选为9NLPM；载气流量优选为1～5NLPM，更优选为3NLPM；喷涂距离优选为100～150mm，更优选为120mm；送粉速率优选为10～30％，更优选为20％。
在本发明提供的涂层制备方法中，当采用所述超音速火焰喷涂的方式喷涂所述底层涂料时，其工艺参数为：煤油流量优选为10～15L/h，更优选为12L/h；氧气流量优选为400～800NLPM，更优选为600NLPM；载气流量优选为5～10NLPM，更优选为7NLPM；喷涂距离优选为250～300mm，更优选为275mm；喷涂枪速优选为500～1000mm/s，更优选为600～800mm/s。
在本发明提供的涂层制备方法中，当采用所述大气等离子喷涂的方式喷涂所述面层涂料时，其工艺参数为：电流优选为300～700A，更优选为500A；氩气流量优选为40～70NLPM，更优选为50NLPM；氢气流量优选为5～15NLPM，更优选为9NLPM；载气流量优选为1～5NLPM，更优选为2.5NLPM；喷涂距离优选为80～130mm，更优选为110mm；送粉速率优选为10～30％，更优选为20％。
在本发明提供的涂层制备方法中，喷涂形成的底层涂层的厚度优选为80～150μm，具体可为80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm或150μm。
在本发明提供的涂层制备方法中，喷涂形成的面层涂层的厚度为100～700μm，具体可为100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm或700μm。
本发明提供的技术方案至少具有如下优点：
1)本发明提供的涂层材料以MCrAlYX合金作为粘接相，以Cr2O3作为硬质相，可在1000℃稳定服役，实现涂层优异的抗高温氧化性、涂层致密性和高温耐磨性；同时，通过添加一定量的Cu和Mo作为润滑剂，可在低温时提供出色的润滑性能，在高温时生成复合氧化物进一步起到润滑效果，并配合硬质相和粘接相生成的釉质氧化物，大大减少涂层的磨损率。实验结果表明，相比于未喷涂的GH4065A合金基体，表面喷涂本发明涂层材料后的磨损率降低了36倍以上。
2)本发明提供的涂层采用双层结构，相比采用单一涂层，双层结构增强了涂层与基体的匹配性，延长了涂层的使用寿命。实验结果表明，本发明提供的涂层可在800～1000℃长期使用，800℃与1000℃水淬热震寿命＞50次。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
提供一种高温耐磨自润滑涂层材料、涂层及制备方法，包括如下步骤：
步骤1)按质量比60：30：5：5将NiCoCrAlYTa合金粉末(18～45μm)、Cr2O3粉末(10～45μm)、Cu粉末(15～45μm)和Mo粉末(74～178μm)混合后进行球磨再造粒，得到NiCoCrAlYTa-30wt％Cr2O3-5wt％Cu-5wt％Mo的热喷涂造粒粉末(如图1～2所示)；其中，NiCoCrAlYTa合金粉末中各元素重量百分比为：Co 22.96％、Cr 19.74％、Al 8.36％、Ta4.00％、Y 0.58％、Ni余量；热喷涂造粒粉末的粒径为10～106μm。
步骤2)使用步骤1)中的NiCoCrAlYTa合金粉末，采用大气等离子喷涂工艺在GH4065A高温合金表面制备NiCoCrAlYTa合金底层；然后使用步骤1)所述的热喷涂造粒粉末，采用大气等离子喷涂工艺在底层上喷涂NiCoCrAlYTa-30wt％Cr2O3-5wt％Cu-5wt％Mo复合涂层；
其中，所述的底层大气等离子喷涂工艺参数为：电流500A，氩气55NLPM，氢气9NLPM，载气3NLPM，喷涂距离120mm，送粉速率20％，喷涂底层厚度为0.1mm；所述的面层大气等离子喷涂工艺参数为电流500A，氩气50NLPM，氢气9NLPM，载气2.5NLPM，喷涂距离110mm，送粉速率20％，喷涂面层厚度0.6mm。
步骤3)进行摩擦磨损试样的涂层加工，涂层加工时进刀量≤0.02mm，粗糙度＜Ra1.6μm。
步骤4)进行涂层的显微组织、结合强度、孔隙率、热震性能、抗氧化性能和800℃的摩擦、磨损性能测试；其中，显微组织如图3～4所示；热震性能测试结果为：800℃、1000℃热震50次后涂层完整，无剥落和肉眼可见裂纹；抗氧化性能测试结果为：1000℃静态氧化100h后，平均氧化速率为0.02207g/m2h；其他性能结果如表1所示：
表1涂层的组分设计和涂层部分性能
实施例2
提供一种高温耐磨自润滑涂层材料、涂层及制备方法，包括如下步骤：
步骤1)按一定比例将MCrAlYX合金粉末(18～45μm)、Cr2O3粉末(10～45μm)、Cu粉末(15～45μm)和Mo粉末(74～178μm)进行机械混合，得到MCrAlYX-Cr2O3-Cu-Mo的热喷涂粉末；其中，MCrAlYX合金粉末中，M指Co，X指Si，MCrAlYX合金粉末中各元素重量百分比为：Cr28.11％、Al 9.07％、Y 0.53％、X 1.92wt％、M余量。
步骤2)使用步骤1)中的NiCoCrAlYTa合金粉末，采用超音速火焰喷涂工艺在GH4065A高温合金表面制备MCrAlYX合金底层；然后使用步骤1)所述的热喷涂粉末，采用大气等离子喷涂工艺在底层上喷涂MCrAlYX-Cr2O3-Cu-Mo复合涂层；
其中，所述的底层超音速火焰喷涂工艺参数为：煤油流量12L/h，氧气600NLPM，载气7NLPM，喷涂距离275mm，枪速600mm/s～800mm/s，喷涂底层厚度为0.1mm；所述的面层大气等离子喷涂工艺参数为电流500A，氩气50NLPM，氢气9NLPM，载气2.5NLPM，喷涂距离110mm，送粉速率20％，喷涂面层厚度0.6mm。
步骤3)进行摩擦磨损试样的涂层加工，涂层加工时进刀量≤0.02mm，粗糙度＜Ra1.6μm。
步骤4)进行涂层的摩擦磨损性能测试，结果如表2所示：
表2涂层的组分设计和涂层摩擦系数
| 编号 | MCrAlYX | Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Cu | Mo | 摩擦系数(800℃) |
| 1 | 50wt％ | 30wt％ | 10wt％ | 10wt％ | 0.13 |
| 2 | 50wt％ | 40wt％ | 5wt％ | 5wt％ | 0.18 |
| 3 | 30wt％ | 60wt％ | 5wt％ | 5wt％ | 0.17 |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高温耐磨自润滑涂层材料，以重量百分数计，其组分包括：
Cr2O3 30～60％；
Cu 2～10％；
Mo 2～10％；
余量为MCrAlYX合金，M为Co和/或Ni，X为Ta和/或Si。
2.根据权利要求1所述的高温耐磨自润滑涂层材料，其特征在于，以重量百分数计，所述MCrAlYX合金的成分包括：
余量为M。
3.根据权利要求1所述的高温耐磨自润滑涂层材料，其特征在于，所述MCrAlYX合金为NiCoCrAlYTa合金。
4.根据权利要求3所述的高温耐磨自润滑涂层材料，其特征在于，以重量百分数计，所述NiCoCrAlYTa合金的成分包括：
余量为Ni。
5.一种权利要求1～4任一项所述高温耐磨自润滑涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
将Cr2O3粉末、Cu粉末、Mo粉末和MCrAlYX合金粉末进行机械混合，或者进行球磨混合再造粒，得到高温耐磨自润滑涂层材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，Cr2O3粉末的粒径为10～45μm；所述Cu粉末的粒径为15～45μm；所述Mo粉末的粒径为74～178μm；所述MCrAlYX合金粉末的粒径为18～45μm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用所述球磨混合再造粒的方式制备的高温耐磨自润滑涂层材料的粒径为10～106μm。
8.一种涂层，包括底层和面层；其中，所述底层的材料为MCrAlYX合金；所述面层的材料为权利要求1～4任一项所述的高温耐磨自润滑涂层材料或权利要求5～7任一项所述制备方法制得的高温耐磨自润滑涂层材料。
9.根据权利要求8所述的涂层，其特征在于，所述底层的厚度为80～150μm；所述面层的厚度为100～700μm。
10.一种涂层的制备方法，包括以下步骤：
在基体表面依次喷涂底层涂料和面层涂料，得到双层结构涂层；
所述底层涂料为MCrAlYX合金粉末；
所述面层涂料为权利要求1～4任一项所述的高温耐磨自润滑涂层材料或权利要求5～7任一项所述制备方法制得的高温耐磨自润滑涂层材料。
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