CN115466921A - 一种温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，制备方法为按照质量百分比称取5～15wt.％的Ag粉末和余量的CoCrFeNiMox(0.5≥x≥0.2)高熵合金粉末，用机械混料仪混合均匀得到喷涂粉末制品；将基体材料进行打磨、喷砂和清洗处理，安装在转台上，预热；利用等离子喷涂技术在基材表面先后喷涂金属粘结层和温度自适应润滑耐磨金属涂层。本发明制备工艺简单，制备的涂层致密性高，结合强度高，在室温～800℃的宽温域范围内，具有较低的摩擦系数和磨损率，能够改善箔片空气轴承和发动机等高温工况服役机械的表面润滑问题。
Description
技术领域
本发明属于涂层材料领域，具体涉及一种温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法。该涂层具有高的致密性、高的结合强度，在室温～800℃内具有优异的润滑耐磨性能。
背景技术
随着现代工业的快速发展，关键运动零部件的润滑性能直接关系到机械系统运行的可靠性、稳定性和能效性。块体材料难以同时满足结构力学性能和表面摩擦学性能；固体润滑涂层在保证材料力学性能的同时，能够有效地提高材料的表面摩擦学性能，具有迫切的工业应用需求。相比其他表面工程技术，热喷涂工艺制备的金属基涂层具有较好的结合强度和可观的涂层厚度。开发高性能的热喷涂固体润滑涂层，对于解决苛刻环境下的摩擦和磨损问题，具有重要意义。
航空航天发动机、箔片空气轴承等关键装备，需要在室温～高温的宽温域范围内实现良好的润滑。为了获得宽温域润滑性能，热喷涂固体润滑涂层大多采用添加非金属的润滑相(如CaF2/BaF2共晶、MoS2)的方式，如美国的PS系列涂层；但由于非金属与金属之间的物化性能差异和不良界面，非金属润滑相的添加不仅会劣化金属基涂层的内聚强度和结合强度，而且在高载高速工况下易于剥落、会加剧磨损。非金属与金属的界面结合问题，是材料领域长期以来的难题；尤其是在热喷涂的快速凝固过程中，实现非金属添加相与金属粘接相的良好界面难度较大。研制宽温域自润滑的全金属涂层，以满足快速发展的空天装备性能提升的需求，已经成为热喷涂固体润滑涂层领域的重要研究任务之一。
针对更高温、更高载、更高速的高端装备发展要求对高性能宽温域自润滑金属涂层的需求，本发明耦合摩擦学和金属学的研究成果，创新性地提出含钼FCC基高熵合金粘接相与软金属Ag的新型热喷涂固体润滑涂层技术。主要创新点一是，利用Ag的软质结构和自润滑特性，实现室温～400℃内的润滑；综合利用Mo元素的高温自适应原位氧化反应，形成自润滑作用的氧化钼，特别是利用Mo和Ag在高温下进一步形成的钼酸银，实现400～800℃内的有效润滑。耦合Ag元素和高温自适应氧化形成的氧化钼和钼酸银，在不添加非金属润滑相条件下，实现宽温域自润滑。
近年来有学者开展了全金属润滑涂层的设计，研制的Ni基合金+Mo+Ag涂层能够在宽温域实现较好的润滑性能，但是存在不足：1、Ni基合金粘接相具有较好的塑性，但强度、硬度、抗高温软化、耐磨性不足；2、外在Mo添加后，是以偏析相的形式分布在Ni基合金粘接相中，能够一定程度上提高涂层的宏观硬度，但不能有效提高Ni基合金粘接相的硬度，对涂层的抗高温软化性能和耐磨性的提高程度受限；3、外在添加Mo偏析相与镍基粘接相基体也存在界面，界面处容易引发裂纹和气孔等缺陷，一般需要热处理进一步对界面结构进行优化。
为解决上述问题，本发明基于金属学最新的突破性成果-高熵合金技术，采用含钼的FCC基高熵合金作为涂层粘接相，主要创新作用如下：1、高熵合金包含多种不同原子尺寸的主元，结构表现出缓慢扩散效应和晶格畸变效应，具有高的硬度、优异的抗高温软化性能；2、FCC相高熵合金具有较高的塑性，能够保证热喷涂技术对粘接相金属塑性的需求；3、高熵合金在包含高含量合金化Mo的条件下，保持简单的固溶体结构，克服大部分金属在添加足量Mo后引起的结构复杂化问题；4、合金化添加Mo到FCC相高熵合金中，Mo均匀分布在高熵合金中，不仅能够均匀地固溶强化FCC相高熵合金，不存在界面问题，而且足够的Mo可以析出弥散均匀分布的σ相，有效地提高高熵合金粘接相的硬度、抗高温润滑性能和耐磨性。
总之，本发明创新性地耦合了环境自适应原位氧化润滑技术和高熵合金技术，实现了金属涂层的宽温域自润滑，最大化地避免了添加相与涂层粘接相之间的界面问题。制备的温度自适应润滑耐磨金属涂层，在航空航天发动机、箔片空气轴承等宽温域服役高端装备领域具有重要应用前景。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种温度自适应润滑耐磨金属涂层及其制备方法，解决固体润滑涂层中致密性差、结合强度低、缺陷多的问题，制备出具有高结合强度和优异宽温域润滑抗磨性能的涂层。
本发明采用以下技术方案：
一种温度自适应润滑耐磨金属涂层，该涂层包含含Mo的FCC基高熵合金和Ag粉末，按质量分布计，含Mo的FCC基高熵合金为85～95％，Ag为5～15％，含Mo的FCC基高熵合金的成分为CoCrFeNiMox,0.5≥x≥0.2，为雾化法制备的球形合金粉末，粒度为45～100μm，Ag粉末为球形粉末，，粒度为45～100μm；
该涂层制备时，将含Mo的FCC基高熵合金和Ag粉末混合，得到混合均匀的粉末，采用等离子喷涂工艺进行喷涂制备。
进一步的，所述涂层与基体之间的过渡层采用粉末为粒度为45～110微米的NiCrAlY或NiCoCrAlYTa球形合金粉末，经等离子喷涂工艺喷涂而成。
一种温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)称取含Mo的FCC基高熵合金和Ag粉末，装入机械混料仪进行混合3～6小时，得到混合均匀的喷涂粉末；
步骤2)将基体材料，进行砂纸抛光后超声清洗除油，然后用喷砂机对其表面进行喷砂处理，用纯丙酮和乙醇对粗化后的不锈钢基体进行清洗；
步骤3)对步骤2)的试样固定在等离子喷涂转台上，进行预热处理，采用等离子喷涂工艺在表面喷涂过渡层；
步骤4)采用步骤1)的喷涂粉末，在步骤3)的过渡层表面采用等离子喷涂工艺进行喷涂，制备出温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法。
具体的，步骤1)中，按质量分布计，含Mo的FCC基高熵合金为85～95％，Ag为5～15％，含Mo的FCC基高熵合金的成分为CoCrFeNiMox,0.5≥x≥0.2，为雾化法制备的球形合金粉末，粒度为45～100μm，Ag粉末为球形粉末，粒度为45～100μm。
具体的，步骤2)中，基体采用选用S31008(06Cr25Ni20)不锈钢或Inconel718高温合金，喷砂后表面粗糙度为Ra＝6～8μm。
具体的，步骤3)中，试样预热温度为300～500℃，过渡层采用粉末为粒度为45～110微米的NiCrAlY或NiCoCrAlYTa球形合金粉末。
具体的，步骤3)和4)中，等离子喷涂参数均为:电流450～550A，电压50～55V，氩气流量35～45L/min，氢气流量4.5～5.5L/min，喷涂距离90～110mm，送粉率38～42g/min。
涂层的相组成用X射线衍射(XRD)分析；材料的组织形貌特征用扫描电子显微镜(SEM)表征；结合强度测试依照ASTM C633标准要求测量；合金的耐磨损性能采用HT-1000高温摩擦试验机，对磨材料是直径8mm的Al2O3陶瓷球，测试温度是20、400、600、800℃。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
针对非金属润滑相添加劣化现有涂层内聚强度和结合强度的问题，利用Ag、Mo等金属的原位自润滑和温度自适应摩擦氧化自润滑，实现纯金属涂层的自润滑，解决了这一问题；选用CoCrFeNiMox的FCC基高熵合金粉末和Ag粉末，优点如下：a FCC基体保证了热喷涂所需要的塑性，并与同为FCC相的Ag具有良好的喷涂相容性；b高熵合金结构不仅保证了优异的硬度、抗高温软化性能，而且实现了在高Mo合金化添加下呈现简单的FCC基结构；cMo以合金化的方式添加，均匀提高了涂层粘接相的强度和硬度，而且避免了常规的镍基涂层粘接相与Mo元素之间的新界面问题；d CoCrFeNiMox高熵合金与NiCrAlY、NiCoCrAlYTa过渡层金属，具有类似的成分和结构，能够促进冶金结合，提高涂层结合强度；e仅采用CoCrFeNiMox高熵合金和Ag两种粉末，相比多种组份的涂层配方，有利于提高涂层结构和成分的均匀性。综合上述优势，得到高致密、强结合、宽温域润滑耐磨的温度自适应润滑耐磨金属涂层。
本发明的有益效果：
本发明制备的温度自适应润滑耐磨金属涂层，基本没有明显的孔隙和裂纹，Ag均匀分布于CoCrFeNiMox高熵合金粘接相中，致密度高；本发明制备的温度自适应润滑耐磨金属涂层，具有不低于35MPa的结合强度；本发明制备的温度自适应润滑耐磨金属涂层，与Al2O3配副，在20-800℃的平均摩擦系数为0.28～0.55，涂层的磨损率在2.1～22×10-5mm3/Nm之间。本发明的温度自适应润滑耐磨金属涂层，在室温～800℃范围内具有较低的摩擦系数和磨损率，具有较高的结合强度，能够为箔片空气轴承、航空发动机等宽温域工况服役下机械部件提供良好的润滑。
附图说明
图1是实施例1提供的90wt％CoCrFeNiMo0.5-10wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层的XRD衍射图谱。
图2是实施例1提供的90wt％CoCrFeNiMo0.5-10wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层的扫描电子显微镜组织照片。
图3是实施例1提供的90wt％CoCrFeNiMo0.5-10wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层在高温摩擦磨损后磨损表面的Raman图谱。
图4是实施例2提供的85wt％CoCrFeNiMo0.3-15wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层的XRD衍射图谱。
图5是实施例2提供的85wt％CoCrFeNiMo0.3-15wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层的扫描电子显微镜组织照片。
图6是实施例2提供的85wt％CoCrFeNiMo0.3-15wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层在高温摩擦磨损后磨损表面的Raman图谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明采用的含Mo的FCC基高熵合金的成分为CoCrFeNiMox,0.5≥x≥0.2，为雾化法制备的球形合金粉末，粒度为45～100μm，Ag粉末为球形粉末，粒度为45～100μm。
实施例1
本发明涉及一种90wt％CoCrFeNiMo0.5-10wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)按照质量比例称取CoCrFeNiMo0.5高熵合金粉末和Ag粉末，装入机械混料仪进行混合5小时，得到混合均匀的喷涂粉末；
步骤2)将S31008(06Cr25Ni20)不锈钢基体材料，进行砂纸抛光后超声清洗除油，然后用喷砂机对其表面进行喷砂处理，喷砂后表面粗糙度为Ra＝6～8μm，用纯丙酮和乙醇对粗化后的不锈钢基体进行清洗；
步骤3)对步骤2)的试样固定在等离子喷涂转台上，进行预热处理，预热温度为400℃，采用等离子喷涂工艺在表面喷涂过渡层，过渡层采用粉末为粒度为45～110微米的NiCrAlY球形合金粉末，等离子喷涂参数均为:电流500A，电压52V，氩气流量40L/min，氢气流量5.0L/min，喷涂距离100mm，送粉率40g/min。
步骤4)采用步骤1)的喷涂粉末，在步骤3)的过渡层表面采用等离子喷涂工艺进行喷涂，等离子喷涂参数均为:电流550A，电压50V，氩气流量45L/min，氢气流量4.5L/min，喷涂距离110mm，送粉率38g/min，制备出温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法。
本实施例制备的90wt％CoCrFeNiMo0.5-10wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层相组成如图1所示，主要是FCC的CoCrFeNiMo0.5相和FCC的Ag相，和少量的σ相,σ相是Mo合金化引起CoCrFeNiMo0.5合金析出的强化相；组织结构如图2所示，涂层致密性高，没有明显的裂纹和孔隙，Ag均匀分布在CoCrFeNiMo0.5基体上，CoCrFeNiMo0.5相与Ag相间结合非常紧密；涂层的结合强度为37MPa；涂层在20、400、600、800℃的摩擦系数和磨损率见表1。90wt％CoCrFeNiMo0.5-10wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层在高温摩擦磨损后磨损表面的Raman图谱见图3，在高温摩擦过程中表面温度自适应原位氧化形成了具有润滑作用的钼酸银和钼酸镍。
表1实施例1的涂层性能数据表
| 室温 | 400℃ | 600℃ | 800℃ | |
| 摩擦系数 | 0.41 | 0.49 | 0.30 | 0.28 |
| 磨损率(×10<sup>-5</sup>mm<sup>3</sup>/Nm) | 8.9 | 18 | 2.7 | 2.1 |
实施例2
本发明涉及一种85wt％CoCrFeNiMo0.3-15wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)按照质量比例称取CoCrFeNiMo0.3高熵合金粉末和Ag粉末，装入机械混料仪进行混合4小时，得到混合均匀的喷涂粉末；
步骤2)将S31008(06Cr25Ni20)不锈钢基体材料，进行砂纸抛光后超声清洗除油，然后用喷砂机对其表面进行喷砂处理，喷砂后表面粗糙度为Ra＝6～8μm，用纯丙酮和乙醇对粗化后的不锈钢基体进行清洗；
步骤3)对步骤2)的试样固定在等离子喷涂转台上，进行预热处理，预热温度为300℃，采用等离子喷涂工艺在表面喷涂过渡层，过渡层采用粉末为粒度为45～110微米的NiCrAlY球形合金粉末，等离子喷涂参数均为:电流450A，电压55V，氩气流量35L/min，氢气流量5.5L/min，喷涂距离90mm，送粉率42g/min。
步骤4)采用步骤1)的喷涂粉末，在步骤3)的过渡层表面采用等离子喷涂工艺进行喷涂，等离子喷涂参数均为:电流450A，电压55V，氩气流量35L/min，氢气流量5.5L/min，喷涂距离90mm，送粉率42g/min，制备出温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法。
本实施例制备的85wt％CoCrFeNiMo0.3-15wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层相组成如图4所示，仅有FCC的CoCrFeNiMo0.3相和FCC的Ag相；组织结构如图5所示，涂层致密性高，没有明显的裂纹和孔隙，Ag均匀分布在CoCrFeNiMo0.3基体上，CoCrFeNiMo0.3相与Ag相间结合非常紧密；涂层的结合强度为35MPa；涂层在20、400、600、800℃的摩擦系数和磨损率见表2。85wt％CoCrFeNiMo0.3-15wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层在高温摩擦磨损后磨损表面的Raman图谱见图6，在高温摩擦过程中表面温度自适应原位氧化形成了具有润滑作用的钼酸银和钼酸镍。
表2实施例2的涂层性能数据表
| 室温 | 400℃ | 600℃ | 800℃ | |
| 摩擦系数 | 0.40 | 0.45 | 0.32 | 0.30 |
| 磨损率(×10<sup>-5</sup>mm<sup>3</sup>/Nm) | 7.6 | 20 | 2.8 | 2.2 |
实施例3
本发明涉及一种95wt％CoCrFeNiMo0.2-5wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)按照质量比例称取CoCrFeNiMo0.2高熵合金粉末和Ag粉末，装入机械混料仪进行混合3小时，得到混合均匀的粉末制品；
步骤2)将Inconel718高温合金基体材料，进行砂纸抛光后超声清洗除油，然后用喷砂机对其表面进行喷砂处理，喷砂后表面粗糙度为Ra＝6～8μm，用纯丙酮和乙醇对粗化后的不锈钢基体进行清洗；
步骤3)对步骤2)的试样固定在等离子喷涂转台上，进行预热处理，预热温度为500℃，采用等离子喷涂工艺在表面喷涂过渡层，过渡层采用粉末为粒度为45～110微米的NiCoCrAlYTa球形合金粉末，等离子喷涂参数均为:电流550A，电压50V，氩气流量45L/min，氢气流量4.5L/min，喷涂距离110mm，送粉率38g/min。
步骤4)采用步骤1)的喷涂粉末，在步骤3)的过渡层表面采用等离子喷涂工艺进行喷涂，等离子喷涂参数均为:电流500A，电压52V，氩气流量40L/min，氢气流量5.0L/min，喷涂距离100mm，送粉率40g/min，制备出温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法。
本实施例制备的95wt％CoCrFeNiMo0.2-5wt％Ag温度自适应润滑耐磨金属涂层的结合强度为40MPa；涂层在20、400、600、800℃的摩擦系数和磨损率见表3。
表3实施例3的涂层性能数据表
| 室温 | 400℃ | 600℃ | 800℃ | |
| 摩擦系数 | 0.47 | 0.55 | 0.36 | 0.35 |
| 磨损率(×10<sup>-5</sup>mm<sup>3</sup>/Nm) | 13 | 22 | 4.5 | 3.7 |
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种温度自适应润滑耐磨金属涂层，其特征在于，该涂层包含含Mo的FCC基高熵合金和Ag粉末，按质量分布计，含Mo的FCC基高熵合金为85～95％，Ag为5～15％，含Mo的FCC基高熵合金的成分为CoCrFeNiMox,0.5≥x≥0.2，为雾化法制备的球形合金粉末，粒度为45～100μm，Ag粉末为球形粉末，粒度为45～100μm；
该涂层制备时，将含Mo的FCC基高熵合金和Ag粉末混合，得到混合均匀的粉末，采用等离子喷涂工艺进行喷涂制备。
2.根据权利要求1所述的一种温度自适应润滑耐磨金属涂层，其特征在于，所述涂层与基体之间的过渡层采用粉末为粒度为45～110微米的NiCrAlY或NiCoCrAlYTa球形合金粉末，经等离子喷涂工艺喷涂而成。
3.一种权利要求1所述温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)称取含Mo的FCC基高熵合金和Ag粉末，装入机械混料仪进行混合3～6小时，得到混合均匀的喷涂粉末；
步骤2)将基体材料，进行砂纸抛光后超声清洗除油，然后用喷砂机对其表面进行喷砂处理，用纯丙酮和乙醇对粗化后的不锈钢基体进行清洗；
步骤3)将步骤2)清洗过的基体材料固定在等离子喷涂转台上，进行预热处理，采用等离子喷涂工艺在表面喷涂过渡层；
步骤4)采用步骤1)的喷涂粉末，在步骤3)的过渡层表面采用等离子喷涂工艺进行喷涂，制备出温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法。
4.根据权利要求3所述的一种温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中，基体采用S31008(06Cr25Ni20)不锈钢或Inconel718高温合金，喷砂后表面粗糙度为Ra＝6～8μm。
5.根据权利要求3所述的一种温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)中，试样预热温度为300～500℃，过渡层采用粉末为粒度为45～110微米的NiCrAlY或NiCoCrAlYTa球形合金粉末。
6.根据权利要求1所述的一种温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)和4)中，等离子喷涂参数均为:电流450～550A，电压50～55V，氩气流量35～45L/min，氢气流量4.5～5.5L/min，喷涂距离90～110mm，送粉率38～42 g/min。
Priority Applications (1)
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| CN202210651905.XA CN115466921B (zh) | 2022-06-10 | 一种温度自适应润滑耐磨金属涂层的制备方法 |
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| CN104278227A (zh) * | 2013-07-02 | 2015-01-14 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种全金属相宽温域自润滑涂层的制备技术 |
| KR20170124441A (ko) * | 2016-05-02 | 2017-11-10 | 한국과학기술원 | 고강도 초내열 고엔트로피 합금기지 복합소재 및 이의 제조방법 |
| CN111349881A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-30 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种宽温域润滑耐磨复合涂层及其制备、喷涂方法 |
| CN111390166A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-07-10 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 含固体润滑剂的仿晶格结构高熵合金基自润滑复合材料 |
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