CN115852293A - 一种金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，包括将Al2O3和h‑BN制备成悬浮液，采用液料等离子喷涂形式沉积，以NiCrAlY为代表的金属粉末采用传统的大气等离子喷涂方式沉积。在经喷砂处理的不锈钢基体表面，同时喷涂悬浮液以及金属粉末，制得金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层。本发明克服了传统的热喷涂喷涂金属材料时，当气流和空气接触时细金属颗粒的高比表面积会导致大范围的氧化等问题。保留了传统等离子喷涂的沉积效率。此外，金属基质可以提供韧性，确保与普通金属基底足够强的结合，保护它们不被氧化，并且匹配各自的热膨胀系数，同时陶瓷增强物提高整体涂层的耐磨性。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂技术和表面工程领域，具体涉及到一种金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法。
背景技术
液料等离子喷涂是制备精密结构涂层最有效的方式之一，与许多其他表面工程技术相比，液料等离子喷涂允许使用液体分散介质作为载体将亚微米或纳米规格的粉末输送到等离子焰流之中，克服了传统热喷涂技术无法直接喷涂纳米颗粒的技术障碍。在混合喷涂过程中，来自粉末和悬浮液的碎片和液滴可以同时/依次沉积在基底上，以获得多尺度微观结构的复合耐磨涂层。
混合喷涂中粉末选择并不唯一，可以是金属类型粉末，也可以是陶瓷类型粉末，且通常为微米尺寸。其中，以NiCrAlY为代表的金属材料是一种常用于耐磨涂层的金属合金材料，广泛应用于保护工业设备免于磨损失效，可以大大提升机械的服役寿命。但其性能常常受到较差的耐刮擦性的限制。
为避免这些限制，可以将NiCrAlY与Al2O3复合制备复合耐磨涂层，但传统的热喷涂喷涂金属材料时，当气流和空气接触时，细金属颗粒的高比表面积会导致大范围的氧化。
专利CN 114196918 A提出通过电弧等离子镀制备NiCrAlY涂层的方法，该方法制备的涂层会出现在涂层结合处产生沟槽以及凹陷，导致涂层结合性较差。其次，焊接过程中气体来不及逸出会导致孔穴的形成，降低涂层性能。专利CN 114686796 A中通过大气等离子体喷涂的方式制备NiCrAlY涂层，但由于技术限制，需要对涂层进行封孔处理，提升了生产成本。专利CN 111809100 A中通过高温烧结制备了NiCrAlY涂层，该方法容易导致烧结体内存在不为溶体金属所润湿的杂质或者存在严重的固相与液相的偏析现象，会形成孔洞，降低涂层使用寿命。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，包括，
采用液料等离子喷涂和大气等离子喷涂的方式，同时喷涂悬浮液以及金属粉末，在基体表面制备金属陶瓷复合耐磨涂层；其中，
利用液料等离子喷涂陶瓷粉末悬浮液，利用大气等离子喷涂金属粉末；
陶瓷粉末悬浮液由Al2O3粉末、h-BN粉末和乙醇组成；
金属粉末包括NiCrAlY粉末。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述Al2O3粉末平均粒径为300 nm。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述NiCrAlY粉末，包括以下重量百分数组分：Ni–22%Cr-10%Al–1%Y。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述h-BN粉末平均粒径为500 nm。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述基体包括不锈钢。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述基体表面，为经喷砂处理的金属基体表面，表面粗糙度为Ra7.0~9.0。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述陶瓷粉末悬浮液中，Al2O3粉末质量占比10%，h-BN粉末质量占比5%，溶剂为乙醇。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述陶瓷粉末悬浮液中还包括2%质量分数的酚醛树脂。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：采用液料等离子喷涂的方式喷涂Al2O3和h-BN混合悬浮液，其参数为：
电流500 A，Ar气流速35 L/min，H2气流速4 L/min，喷涂距离70 mm，悬浮液进料速率30 mL/min，枪平移速度200 mm/s。
作为本发明所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法的一种优选方案，其中：采用大气等离子喷涂的方式喷涂NiCrAlY粉末，其参数为：
电流500 A，Ar气流速35 L/min，H2气流速4 L/min，喷涂距离70 mm，粉末进料速率20 g/min，枪平移速度200 mm/s。
本发明有益效果：
本发明提供一种新型混合等离子喷涂金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，克服了传统热喷涂喷涂金属材料时，当气流和空气接触时，细金属颗粒的高比表面积会导致大范围的氧化等问题；
本发明由细陶瓷颗粒增强的金属基纳米复合耐磨涂层比纯陶瓷涂层更合适，金属基质将提供韧性，确保与普通金属基底足够强的结合，保护其不被氧化，并且匹配各自的热膨胀系数，同时陶瓷增强物将提高复合耐磨涂层的耐磨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1中喷涂系统示意图，其中，1金属粉末，2送粉管，3悬浮液输送管，4悬浮液滴，5等离子喷枪，6焰流，7涂层，8基体。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明所用粉末、仪器设备等均可从市场购得或通过常规方法制备。
实施例1
本实施例提供一种金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，主要步骤为：
（1）准备涂层复合耐磨涂层成分原料：
陶瓷粉末：Al2O3粉末；
金属粉末：NiCrAlY粉末；
固体润滑剂：h-BN粉末；
其中，NiCrAlY质量百分比为Ni-22%Cr-10%Al-1%Y。
（2）用丙酮对不锈钢基体表面进行超声清洗以去除油污锈渍等杂质，清洗完成后烘干处理；
随后用粒度24目的棕刚玉砂对待喷涂的不锈钢基体表面进行喷砂粗化处理，以提高涂层与基体间的结合强度，要求粗化后表面粗糙度为Ra7.0-9.0。
（3）采用液料等离子喷涂的方式喷涂Al2O3和h-BN混合悬浮液，参数为：
悬浮液母液选择无水乙醇，Al2O3粉末重量占比10%，h-BN粉末质量占比5%；向悬浮液中添加2%质量分数的酚醛树脂作为分散剂以稳定悬浮液；
电流500 A，Ar气流速35 L/min，H2气流速4 L/min，喷涂距离70 mm，悬浮液进料速率30 mL/min，枪平移速度200 mm/s。
（4）采用大气等离子喷涂的方式喷涂NiCrAlY粉末，参数为：
电流500 A，Ar气流速35 L/min，H2气流速4 L/min，喷涂距离70 mm，粉末进料速率20 g/min，枪平移速度200 mm/s。
参照图1，同时采用悬浮液等离子喷涂和大气等离子喷涂的方式，在喷枪内部采用双管轴向注射，分别注射金属粉末以及陶瓷粉末悬浮液；两根输送管分别接入悬浮液容器以及粉末容器。同时喷涂悬浮液以及金属粉末，利用悬浮液等离子喷涂陶瓷粉末悬浮液，利用大气等离子喷涂金属粉末，在不锈钢基体表面制备金属陶瓷复合耐磨涂层。
具体的，NiCrAlY粉末通过送粉管进入等离子喷枪，Al2O3和h-BN混合悬浮液通过悬浮液输送管进入等离子喷枪，同时喷涂悬浮液以及金属粉末，金属粉末和悬浮液的碎片和液滴可以同时沉积在基底上，以获得多尺度微观结构的复合耐磨涂层，涂层厚度为300μm；
涂层制备完毕后冷却方式为自然冷却。
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中，对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5 mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.52±0.05，磨损率为1.42±0.09*10-5 mm3/(N·m)。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
步骤3）中不加入h-BN，Al2O3粉末重量占比15%，复合耐磨涂层厚度为300μm。
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。
其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.68±0.04，磨损率为2.38±1.16*10-4 mm3/(N·m)。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
步骤3）中h-BN粉末质量占比2.5%，Al2O3粉末重量占比12.5%，复合耐磨涂层厚度为300μm。
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5 mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.57±0.04，磨损率为6.47±0.19*10-5 mm3/(N·m)。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
步骤3）中h-BN粉末质量占比7.5%，Al2O3粉末重量占比7.5%，复合耐磨涂层厚度为300μm。
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。
其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.57±0.04，磨损率为7.42±0.22*10-5 mm3/(N·m)。
实施例5
与实施例1不同之处在于：
步骤3）中h-BN粉末质量占比10%，Al2O3粉末重量占比5%，复合耐磨涂层厚度为300μm。
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。
其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.61±0.04，磨损率为8.22±0.27*10-5 mm3/(N·m)。
实施例6
与实施例1不同之处在于：
步骤4）中NiCrAlY粉末进料速率25 g/min。
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5 mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.55±0.04，磨损率为5.68±0.50*10-5 mm3/(N·m)。
实施例7
与实施例1不同之处在于：
步骤4）中NiCrAlY粉末进料速率30 g/min。
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5 mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.59±0.03，磨损率为7.96±0.41*10-5 mm3/(N·m)。
实施例8
与实施例1不同之处在于：
步骤3）中酚醛树脂的质量分数为3%；
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。
其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.54±0.04，磨损率为1.02±0.08*10-5 mm3/(N·m)。
实施例9
与实施例1不同之处在于：
步骤3）酚醛树脂的质量分数为4%。
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5 mm，滑动距离为2000 m。结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.56±0.04，磨损率为5.98±0.08*10-5 mm3/(N·m)。
实施例10
与实施例1不同之处在于：
步骤3）中酚醛树脂的质量分数为5%；
对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。
其中对偶球选用直径为6 mm的Al2O3球，相对滑动速度为0.1 m/s，磨损半径为5mm，滑动距离为2000 m。
结果表明，无润滑条件下，该梯度复合耐磨涂层的摩擦系数为0.58±0.04，磨损率为7.82±0.12*10-5 mm3/(N·m)。
为解决金属粉末不好制备稳定悬浮液等问题，采用混合等离子喷涂装置喷涂金属陶瓷复合耐磨涂层。NiCrAlY金属粉末采用传统的大气等离子喷涂方式沉积，Al2O3和h-BN制备成悬浮液采用液料等离子喷涂的方式沉积。
NiCrAlY是一种常用于耐磨涂层的金属合金材料，广泛应用于保护工业设备免于磨损失效，可以大大提升机械的服役寿命。但它们的性能常常受到较差的耐刮擦性的限制。为避免这些限制，可以将NiCrAlY与Al2O3复合制备复合耐磨涂层。传统的热喷涂喷涂金属材料时，当气流和空气接触时，细金属颗粒的高比表面积会导致大范围的氧化。在一些应用中，如高温磨损保护，由细陶瓷颗粒增强的金属基纳米复合耐磨涂层比纯陶瓷涂层更合适。金属基质可以提供韧性，确保与普通金属基底足够强的结合，保护它们不被氧化，并且匹配各自的热膨胀系数，同时陶瓷增强物可以提高整体涂层的耐磨性。因此，采用不同原料类型双注射的“混合”热喷涂工艺是一种新型制备金属陶瓷复合耐磨涂层的方法。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：包括，
采用液料等离子喷涂和大气等离子喷涂的方式，同时喷涂悬浮液以及金属粉末，在基体表面制备金属陶瓷复合耐磨涂层；其中，
利用液料等离子喷涂陶瓷粉末悬浮液，利用大气等离子喷涂金属粉末；
陶瓷粉末悬浮液由Al2O3粉末、h-BN粉末和乙醇组成；
金属粉末包括NiCrAlY粉末。
2.如权利要求1所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述Al2O3粉末平均粒径为300 nm。
3.如权利要求1或2所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述NiCrAlY粉末，包括以下重量百分数组分：Ni–22%Cr-10%Al–1%Y。
4.如权利要求3所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述h-BN粉末平均粒径为500 nm。
5.如权利要求4所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述基体包括不锈钢。
6.如权利要求5所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述基体表面，为经喷砂处理的金属基体表面，表面粗糙度为Ra7.0~9.0。
7.如权利要求6所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉末悬浮液中，Al2O3粉末质量占比10%，h-BN粉末质量占比5%，溶剂为乙醇。
8.如权利要求7所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉末悬浮液中还包括2%质量分数的酚醛树脂。
9.如权利要求8所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：采用液料等离子喷涂的方式喷涂Al2O3和h-BN混合悬浮液，其参数为：
电流500 A，Ar气流速35 L/min，H2气流速4 L/min，喷涂距离70 mm，悬浮液进料速率30mL/min，枪平移速度200 mm/s。
10.如权利要求8所述金属陶瓷自润滑复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于：采用大气等离子喷涂的方式喷涂NiCrAlY粉末，其参数为：
电流500 A，Ar气流速35 L/min，H2气流速4 L/min，喷涂距离70 mm，粉末进料速率20 g/min，枪平移速度200 mm/s。
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