CN116200695A - 一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途 - Google Patents

一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途 Download PDF

Info

Publication number
CN116200695A
CN116200695A CN202310242344.2A CN202310242344A CN116200695A CN 116200695 A CN116200695 A CN 116200695A CN 202310242344 A CN202310242344 A CN 202310242344A CN 116200695 A CN116200695 A CN 116200695A
Authority
CN
China
Prior art keywords
powder
spraying
coating
metal
transition layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310242344.2A
Other languages
English (en)
Inventor
蔡志海
王海斗
牟泓霖
马国政
朱咸勇
何鹏飞
刘明
谢凤宽
周雳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Academy of Armored Forces of PLA
Original Assignee
Academy of Armored Forces of PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Academy of Armored Forces of PLA filed Critical Academy of Armored Forces of PLA
Priority to CN202310242344.2A priority Critical patent/CN116200695A/zh
Publication of CN116200695A publication Critical patent/CN116200695A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/12—Metallic powder containing non-metallic particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/17—Metallic particles coated with metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/18—Non-metallic particles coated with metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/18—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
    • C23C14/185—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates by cathodic sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/223—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating specially adapted for coating particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3485—Sputtering using pulsed power to the target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

本发明提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途，所述制备方法包括：将六方氮化硼粉末采用磁控溅射法进行包覆处理；将得到的金属包覆的六方氮化硼粉体与碳化铬粉末、镍粉、铬粉混合后依次进行喷雾干燥、烧结，得到金属陶瓷复合粉末；将复合粉末喷涂到提前喷涂过渡层的金属基体上，形成宽温域耐磨自润滑涂层。本发明通过采用磁控溅射法对六方氮化硼进行金属包覆，改变其与金属及陶瓷材料之间的浸润性和相容性，保证高质量复合粉末的制备，并通过过渡层的设置，使得过渡层与基体、过渡层和涂层之间发生元素扩散，形成强结合，再采用超音速等离子喷涂的方式，抑制碳化铬的分解，提高涂层的耐磨性和强度，提高零部件的使用寿命。

Description

一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途。
背景技术
随着航空航天技术的发展，矢量推力发动机尾喷管的工作温度越来越高、压力越来越大，关键零部件处在极端摩擦工况中，摩擦损耗严重，制约着战斗机技战术性能指标的提升，因此在零件表面形成涂层是降低零件磨损、提高使用寿命的重要方式之一，基于涂层耐高温、高硬度、抗腐蚀性的要求，通常选择陶瓷材料或陶瓷复合材料作为涂层材料，即采用热喷涂技术在部件表面制备高温耐磨自润滑涂层是解决这一问题的有效途径，其中对于涂层的材料体系设计以及涂层的质量控制是至关重要的。
现有的耐磨自润滑涂层，往往包含多种组分，但各组分之间还处于简单的物理机械混合，材料之间相容性差，粉末成分不均匀，流动性差，所制备的涂层孔隙率高，结合强度低，因此亟需开发一种成分均匀，球形度高的宽温域耐磨自润滑热喷涂粉末。六方氮化硼(hBN)作为一种陶瓷材料，具有二维层状结构，层间剪切力低，具有良好的润滑性，且在高温下具有稳定性，但其与大多金属、陶瓷相容性极差，因此一直没有得到充分利用。因此需要对hBN粉体进行表面改性，以此改善hBN与其他物料的相容性。
CN 101214549A公开了一种适合于热喷涂的金属陶瓷复合粉体的制备方法，该方法包括：配制氢氧化钠溶液、敏化剂和活化液；对六方氮化硼陶瓷粉末采用上述配制的溶液进行前处理；配制反应溶液；将前处理后的六方氮化硼和反应溶液加入高压反应釜进行反应，并通入氢气，利用加压氢还原的方法对氮化硼进行镍包覆，制备近球形的镍包氮化硼粉体，粒径范围为45～109μm。该方法制备过程繁琐复杂，涉及配制溶液、煮沸、洗涤、活化、封盖、排气、加热、冷却、清洗、烘干等一系列步骤，产品粒径跨度大，包覆不均匀；该方法只涉及到氮化硼单相涂层的改进，未涉及复合材料涂层。
CN 110218962A公开了一种耐磨自润滑镍铬碳化铬金属陶瓷复合涂层及其制备方法，该方法包括：对基体进行表面预处理，依次包括精磨、超声波清洗、喷砂和吹扫，然后将NiCr-Cr3C2粉末和Ni包MoS2粉末进行湿法混合后干燥，再采用超音速火焰对基体材料进行预热，然后采用超音速火焰喷涂设备对预热后的基体材料表面喷涂NiCr-Cr3C2/Ni-MoS2混合粉末，得到所述复合涂层；该方法中使用的MoS2在潮湿环境中易氧化分解，且该涂层只在600℃以内具有润滑性，在高温下将会失效，无法满足航空航天等领域越来越严苛的工况要求。
CN 112281105A公开了一种金属陶瓷复合涂层及其制备方法和应用，所述金属陶瓷复合涂层包括润滑相和耐磨相，所述润滑相和耐磨相由粘结相粘结；所述润滑相为六方氮化硼，所述耐磨相为碳化铬，所述粘结相为镍和铬；制备方法为：采用超音速等离子喷涂系统将六方氮化硼、碳化铬、镍和铬复合粉末喷涂在金属基体上，形成所述金属陶瓷复合涂层。该方法中对六方氮化硼并未进行改性处理，其相容性差造成涂层强度不足，磨损率较高的问题无法有效解决。
综上所述，对于宽温域耐磨自润滑涂层的制备，还需要选择合适的组分进行组合或改性，以提高涂层的硬度、结合强度等性能，减少使用时的磨损，同时简化制备工艺，降低成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途，所述方法通过采用磁控溅射法对六方氮化硼进行金属包覆，改变其与金属及陶瓷材料之间的浸润性和相容性，保证高质量复合粉末的制备，并通过在基体和涂层之间设置过渡层，使得过渡层与基体、过渡层和涂层之间发生元素扩散，形成强结合，再采用超音速等离子喷涂的方式，抑制碳化铬的分解，提高涂层的耐磨性和强度，提高零部件的使用寿命。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末采用磁控溅射法进行包覆处理，得到金属包覆的六方氮化硼粉体；
(2)将步骤(1)得到的金属包覆的六方氮化硼粉体与碳化铬粉末、镍粉、铬粉混合后依次进行喷雾干燥、烧结，得到金属陶瓷复合粉末；
(3)将步骤(2)得到的金属陶瓷复合粉末喷涂到提前喷涂过渡层的金属基体上，形成宽温域耐磨自润滑涂层。
本发明中，对于宽温域耐磨自润滑涂层的制备，以改性六方氮化硼(hBN)作为润滑相，在较宽温度范围内具有良好的润滑性，通过采用磁控溅射法在hBN粉末表面包覆金属层，改变其与金属陶瓷主相之间的润湿性和相容性，再通过碳化铬、镍、铬等粉末的使用，实现高质量复合粉末的制备，复合粉末的粒径可控；再采用超音速等离子喷涂工艺制备涂层，可有效抑制碳化铬的分解，提高涂层的耐磨性，从而形成致密、结合强度高的涂层，再通过在基体和涂层之间设置过渡层，通过铝热反应使得过渡层与涂层、过渡层与基体之间发生元素扩散，形成强结合，进一步提高涂层的承载力和结合强度，不易发生开裂和脱落，提高应用零部件的使用寿命；所述方法操作简便，灵活性和可重复性高，应用范围较广。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述六方氮化硼粉末的粒径为15～45μm，例如15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm或45μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，润滑相选择六方氮化硼，相比传统的MoS2或CaF2，其能够实现从室温至800℃左右的连续耐磨减摩。
优选地，步骤(1)所述磁控溅射法在磁控溅射炉中进行，所述六方氮化硼粉末盛入粉槽中，再整体置于磁控溅射炉中。
优选地，步骤(1)所述包覆处理时磁控溅射炉中维持真空条件，并通入保护性气体，所述保护性气体包括惰性气体。
优选地，步骤(1)所述磁控溅射炉先抽真空至4.0×10-3Pa以下，例如4.0×10-3Pa、3.0×10-3Pa、2.0×10-3Pa、1.0×10-3Pa、8.0×10-4Pa、6.0×10-4Pa或5.0×10-4Pa等，再通保护性气体至压力为0.05～0.1Pa，例如0.05Pa、0.06Pa、0.07Pa、0.08Pa、0.09Pa或0.1Pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为0.06～0.07Pa。
优选地，步骤(1)所述保护性气体的流量为14～16sccm，例如14sccm、14.5sccm、15sccm、15.5sccm或16sccm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述磁控溅射炉中的靶材为金属靶，优选为镍靶。
优选地，所述靶材与脉冲电源相连，所述脉冲电源的电压为510～515V，例如510V、511V、512V、513V、514V或515V等，电流为5.8～6.0A，例如5.8A、5.85A、5.9A、5.95A或6.0A等，占空比为88％～92％，例如88％、89％、90％、91％、92％或93％等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述磁控溅射炉中还设有振荡器。
优选地，所述振荡器上施加的电压为105～120V，例如105V、108V、110V、112V、115V、118V或120V等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；振荡器的频率为38～42Hz，例如38Hz、39Hz、40Hz、41Hz或42Hz等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述包覆处理的时间为100～120min，例如100min、105min、110min、115min或120min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述六方氮化硼粉体表面的金属包覆层的厚度为100～200nm，例如100nm、120nm、140nm、160nm、180nm或200nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述碳化铬粉末的粒径为5～25μm，例如5μm、10μm、15μm、20μm或25μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述镍粉和铬粉的粒径独立地为1～10μm，例如1μm、3μm、5μm、6μm、8μm或10μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述金属包覆的六方氮化硼粉体、碳化铬粉末、镍粉和铬粉的质量比为(2～6):(69～73):(19～21):(4～6)，例如2:73:19:6、3:72:20:5、4:71:21:4、5:70:19.5:5.5或6:69:20.5:4.5等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述混合的方式包括湿法球磨。
优选地，所述湿法球磨的介质为水，湿法球磨的时间为2～4h，例如2h、2.5h、3h、3.5h或4h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述湿法球磨后取出，加入水和粘结剂制备浆料。
优选地，所述浆料中混合粉末的质量分数为48～52wt％，例如48wt％、49wt％、50wt％、51wt％或52wt％等，水的质量分数为47～48wt％，例如47wt％、47.2wt％、47.4wt％、47.6wt％、47.8wt％或48wt％等，粘结剂的质量分数为2～3wt％，例如2wt％、2.2wt％、2.5wt％、2.7wt％或3wt％等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述粘结剂的物质种类可选择羧甲基纤维素、聚乙烯醇或阿拉伯胶等。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述喷雾干燥分为喷雾造粒和热风干燥两个阶段。
优选地，所述热风干燥时，热风的进口温度为240～260℃，例如240℃、245℃、250℃、255℃或260℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；出口温度为110～130℃，例如110℃、115℃、120℃、125℃或130℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述烧结的温度为1000～1100℃，例如1000℃、1020℃、1040℃、1050℃、1060℃、1080℃或1100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；时间为2.5～3.5h，例如2.5h、2.75h、3.0h、3.25h或3.5h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述烧结在保护性气氛中进行。
优选地，所述保护性气氛包括氢气和/或惰性气体。
优选地，步骤(2)所述金属陶瓷复合粉末进行筛分，筛选300～800目的复合粉末，例如300目、400目、500目、600目、700目或800目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述金属基体的材质包括镍基合金、铁基合金、铝基合金或铜基合金中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：镍基合金和铁基合金的组合，镍基合金和铝基合金的组合，镍基合金、铁基合金和铜基合金的组合，铁基合金、铝基合金和铜基合金的组合等。
优选地，步骤(3)所述喷涂前先对金属基体进行喷砂处理。
优选地，所述喷砂处理的喷砂角度为30～60度，例如30度、35度、40度、45度、50度、55度或60度等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述喷砂处理所用气体的压力为0.3～0.5MPa，例如0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa或0.5MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述喷砂处理所用的砂粒选择无机氧化物颗粒，例如氧化铝颗粒，其粒径可选择15～20μm，通过喷砂处理，达到活化基体表面，增加表面粗糙度的目的。
优选地，所述喷砂处理后进行超声清洗，所述超声清洗所用介质包括有机溶剂，例如无水乙醇、异丙醇等。
优选地，所述超声清洗的时间为1～5min，例如1min、1.5min、2min、2.5min、3min、4min或5min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述过渡层的材质包括镍基合金，优选为铝包镍粉末。
优选地，步骤(3)所述铝包镍粉末中镍含量为90～93wt％，例如90wt％、90.5wt％、91wt％、91.5wt％、92wt％、92.5wt％或93wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，过渡层的材质优先选择铝包镍的粉末材料，相比两者的合金材料，其优势在于制备工艺更加简单，喷涂时烟尘较少，且物相更容易控制，能够降低成本且涂层内部杂质较少。
优选地，步骤(3)所述过渡层的厚度为50～150μm，例如50μm、60μm、80μm、100μm、120μm、140μm或150μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述过渡层的喷涂工艺中电流为380～420A，例如380A、390A、400A、410A或420A等，电压为120～125V，例如120V、121V、122V、123V、124V或125V等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述过渡层的喷涂工艺中主气流量为170～180L/min，例如170L/min、172L/min、174L/min、176L/min、178L/min或180L/min等，次气流量为16～18L/min，例如16L/min、16.5L/min、17L/min、17.5L/min或18L/min等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述过渡层的喷涂工艺中送粉气流量为4～6L/min，例如4L/min、4.5L/min、5L/min、5.5L/min或6L/min等，送粉气的压力为0.2～0.4MPa，例如0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa或0.4MPa等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述过渡层的喷涂工艺中喷涂距离为90～110mm，例如90mm、95mm、100mm、105mm或110mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述过渡层喷涂时的喷涂次数为10次以上，例如10次、12次、14次、15次、16次或18次等，每次喷涂的时间间隔为30～60s，例如30s、35s、40s、45s、50s、55s或60s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述过渡层的喷涂工艺中，主气为氩气，次气为氢气，送粉量为6～10g/min，例如6g/min、7g/min、8g/min、9g/min或10g/min等；采用喷枪进行喷涂时，喷枪路径一次全部扫过基体为1次，喷涂前利用等离子焰流对基体进行预热，与喷涂路径相同，间隔预热数次，正式喷涂时每次喷涂后间隔一段时间，确保基体和涂层达到足够的冷却，不至于过热变形。
优选地，所述过渡层喷涂时，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.4～0.7MPa，例如0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa或0.7MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述过渡层喷涂时，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.4～0.7MPa，例如0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa或0.7MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述金属陶瓷复合粉末的喷涂采用超音速等离子喷涂的方式。
优选地，所述超音速等离子喷涂的电流为465～480A，例如465A、468A、470A、472A、475A、478A或480A等，电压为100～120V，例如100V、112V、114V、115V、116V、118V或120V等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述超音速等离子喷涂的主气流量为105～115L/min，例如105L/min、106L/min、108L/min、110L/min、112L/min或115L/min等，次气流量为25～28L/min，例如25L/min、25.5L/min、26L/min、26.5L/min、27L/min、27.5L/min或28L/min等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述超音速等离子喷涂的上送粉气的流量为2～3L/min，例如2L/min、2.2L/min、2.4L/min、2.5L/min、2.6L/min、2.8L/min或3L/min等，压力为0.2～0.4MPa，例如0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa或0.4MPa等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用；下送粉气的流量为18～20L/min，例如18L/min、18.5L/min、19L/min、19.5L/min或20L/min等，压力为0.6～0.8MPa，例如0.6MPa、0.65MPa、0.7MPa、0.75MPa或0.8MPa等，但并不仅限于所列举的数值，在各自范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述金属陶瓷复合粉末的超音速等离子喷涂，主气为氩气，次气为氢气，由于喷嘴结构的不同，复合涂层制备时，上送粉气和下送粉气同时加入，确保粉末从等离子射流中射出时能够平直，而不偏上或者偏下，其中，上管路送粉送气，而下管路只送气。
优选地，所述超音速等离子喷涂的喷涂距离为90～110mm，例如90mm、95mm、100mm、105mm或110mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述超音速等离子喷涂的喷涂次数为15～20次，例如15次、16次、17次、18次、19次或20次，每次喷涂的时间间隔为10～20s，例如10s、12s、15s、18s或20s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述超音速等离子喷涂进行时，除了上述每次喷涂的时间间隔，每5次喷涂后暂停一段较长的时间，如1min，以保证基体的充分冷却，不至于发生过热变形。
优选地，所述超音速等离子喷涂时，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.4～0.7MPa，例如0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa或0.7MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述超音速等离子喷涂时，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.4～0.7MPa，例如0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa或0.7MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述超音速等离子喷涂以惰性气体为保护气，熔融粒子的飞行速度为300～500m/s，既是高温度的惰性热源，又有很高的射流速度，通过调控超音速等离子喷涂的工艺参数，在薄壁零件背面加冷却气和稳定支撑，通过提高射流移动的速度，降低热源在工件表面上的停留时间，超音速喷涂加热时间极短，热影响时间短，能够提高涂层的结合强度以及内聚强度，提高涂层在宽温域下的力学以及摩擦学性能。
第二方面，本发明提供了一种采用上述方法制备得到的宽温域耐磨自润滑涂层，所述宽温域耐磨自润滑涂层的厚度为150～200μm，例如150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述宽温域耐磨自润滑涂层的孔隙率为0.1％～0.5％，例如0.1％、0.2％、0.3％、0.4％或0.5％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述宽温域耐磨自润滑涂层的耐受温度为25～1000℃，例如25℃、50℃、100℃、200℃、300℃、500℃、600℃、800℃或1000℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了上述宽温域耐磨自润滑涂层的用途，所述宽温域耐磨自润滑涂层喷涂于薄壁部件的表面。
优选地，所述薄壁部件的厚度为0.5～1mm，例如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述薄壁部件为发动机中的零部件，所述薄壁部件应用于航空航天、核能、石油工业及机械设备领域中，其中所述机械设备包括挤压模具。
本发明中，由于薄壁零部件受热易变形，激光熔覆和火焰喷涂等常规处理方式易造成陶瓷涂层中常有裂纹缺陷，以及易造成薄壁件变形后装配尺寸失调，因此本发明中通过对喷涂方法以及复合粉末的改进，使其能够应用于薄壁零部件上涂层的形成，尤其能够适用于工作温度较高或处理极端摩擦工况中的关键零部件的涂层制备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述方法通过采用磁控溅射法对六方氮化硼进行金属包覆，改变其与金属及陶瓷材料之间的浸润性和相容性，保证高质量复合粉末的制备，复合粉末的粒径可控，所述磁控溅射法使得金属膜层致密，附着性好，且制粉过程简单，可重复性高；
(2)本发明所述方法采用超音速等离子喷涂工艺制备涂层，可有效抑制碳化铬的分解，提高涂层的耐磨性，从而形成致密、结合强度高的涂层，再通过在基体和涂层之间设置过渡层，通过铝热反应使得过渡层与涂层、过渡层与基体之间发生元素扩散，形成强结合，进一步提高涂层的承载力和结合强度，不易发生开裂和脱落，提高应用零部件的使用寿命；
(3)本发明所述方法操作简单，适用范围广，尤其能够适用于薄壁零部件上涂层的形成，所得涂层无裂纹缺陷，能够用于高温、极端摩擦等工况，扩展了其应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法的工艺流程示意图；
图2是本发明实施例1提供的六方氮化硼粉末包覆处理前的SEM图；
图3是本发明实施例1提供的金属镍包覆的六方氮化硼粉体的SEM和能谱分析图；
图4是本发明实施例1提供的金属陶瓷复合粉末的SEM图；
图5是本发明实施例1提供的宽温域耐磨自润滑涂层的SEM图；
图6是本发明实施例1提供的宽温域耐磨自润滑涂层的结合强度的测试曲线；
图7是本发明实施例1与对比例1提供的宽温域耐磨自润滑涂层在室温下的摩擦系数对比图；
图8是本发明实施例1与对比例1提供的宽温域耐磨自润滑涂层在室温下磨痕三维形貌以及磨痕深度对比图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，所述制备方法的工艺流程示意图如图1所示，包括以下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末采用磁控溅射法进行包覆处理，所述六方氮化硼粉末的平均粒径为30μm，所述磁控溅射法在磁控溅射炉中进行，所述六方氮化硼粉末盛入粉槽中，再整体置于磁控溅射炉中，所述磁控溅射炉先抽真空至4.0×10-3Pa，再通氩气至压力为0.065Pa，氩气的流量为15sccm，所述磁控溅射炉中的靶材为镍靶，镍靶上施加的脉冲电源的电压为513V，电流为5.9A，占空比为90％，所述磁控溅射炉中还设有振荡器，振荡器上施加的电压为110V，频率为40Hz，所述包覆处理的时间为110min，得到金属镍包覆的六方氮化硼粉体，包覆层的厚度为150nm；
(2)将步骤(1)得到的金属镍包覆的六方氮化硼粉体与平均粒径10μm的碳化铬粉末、平均粒径5μm的镍粉、平均粒径5μm的铬粉按照4:71:20:5的质量比湿法球磨混合，所述湿法球磨的介质为水，湿法球磨的时间为3h，湿法球磨后取出，加入水和粘结剂聚乙烯醇制备浆料，所述浆料中混合粉末占比50wt％，水占比48wt％，粘结剂占比2wt％，然后依次进行喷雾干燥、烧结，所述喷雾干燥分为喷雾造粒和热风干燥两个阶段，热风干燥时，热风的进口温度为250℃，出口温度为120℃，所述烧结在氢气保护下进行，温度为1050℃，时间为3h，再经过筛分，得到300目以上800目以下的金属陶瓷复合粉末；
(3)将步骤(2)得到的金属陶瓷复合粉末喷涂到金属基体上，所述金属基体的材质为镍基合金，喷涂前先对金属基体进行喷砂处理，喷砂角度为45度，所用气体的压力为0.5MPa，喷砂处理后采用无水乙醇进行超声清洗，清洗时间为2min，然后在金属基体上先喷涂过渡层，所述过渡层的材质为铝包镍粉末，其中镍含量为92wt％，所述过渡层的喷涂工艺中电流为420A，电压为122.5V，主气氩气流量为180L/min，次气氢气流量为17L/min，送粉气流量为5L/min，送粉气的压力为0.4MPa，喷涂距离为100mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.65MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.4MPa，喷涂次数为15次，每次喷涂的时间间隔为30s，得到的过渡层的厚度为100μm；
所述金属陶瓷复合粉末的喷涂采用超音速等离子喷涂的方式，超音速等离子喷涂的电流为465A，电压为100V，主气氩气流量为110L/min，次气氢气流量为27L/min，上送粉气的流量为2L/min，压力为0.2MPa，下送粉气的流量为20L/min，压力为0.7MPa，喷涂距离为100mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.65MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.4MPa，喷涂次数为20次，每次喷涂的时间间隔为10s，每喷涂5次暂停1min后继续喷涂，形成宽温域耐磨自润滑涂层，其厚度为150μm。
本实施例中，所述六方氮化硼粉末包覆处理前的SEM图如图2所示，所述金属镍包覆的六方氮化硼粉体的SEM和能谱分析图如图3所示，所述金属陶瓷复合粉末的SEM图如图4所示，所述宽温域耐磨自润滑涂层的SEM图如图5所示；
按照GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》采用显微维氏硬度计对涂层截面进行硬度测试，载荷为200g，选取不同位置的十个点进行测试，取平均值作为涂层的硬度值；
按照GB/T 8642-2002标准，采用万能试验机(MTS Exceed E45，GB/T8642-2002，China)测定涂层的结合强度，所述结合强度的测试曲线如图6所示，测试条件为：样品尺寸为Φ25.4mm，拉伸速率为0.02mm/min，测试温度为25℃，当涂层全部剥落或均匀剥落时判定测试数据有效，否则无效，取5组有效数据的平均值作为该组涂层样品的有效结合强度；
采用多功能摩擦磨损试验机(Bruker UMT-2德国)分别在室温、200℃、400℃、600℃、800℃对涂层的摩擦学性能进行测试，摩擦形式为旋转干摩，对磨球选择为6mm的Si3N4球，载荷10N，旋转直径10mm，频率5Hz，记录摩擦过程中的摩擦系数的变化曲线；利用白光干涉以对磨损体积进行测量，计算磨损率；采用激光共聚焦显微镜对磨痕进行三维形貌观察，并得出磨痕深度的变化曲线。
本实施例中，由图2可知，六方氮化硼粉末呈片状，其尺寸为20μm左右，而由图3可知，经过包覆处理的六方氮化硼粉末呈核壳结构，且镍元素主要集中表层区域；由图4可知，金属陶瓷复合粉末呈球状颗粒，其尺寸为30μm左右；由图5可知，所述宽温域耐磨自润滑涂层表面平整性好，无明显裂纹缺陷；
根据上述硬度测试，所述宽温域耐磨自润滑涂层在25℃下的硬度测试的平均值为1020HV0.2；由图6可知，所述宽温域耐磨自润滑涂层的平均拉伸结合强度约为70MPa；所述宽温域耐磨自润滑涂层的摩擦性能结果如表1所示。
表1实施例1中的宽温域耐磨自润滑涂层的摩擦性能结果
Figure BDA0004124618650000171
由表1可知，所述宽温域耐磨自润滑涂层的耐磨性和润滑性较高，相比裸露的镍基合金基体，耐磨性约提高20～30倍，相比于普通hBN涂层，耐磨性提高1～2倍，涂层在室温至800℃的宽温域下，hBN可提供持续的润滑效果，涂层磨痕浅，磨损量低，完全达到发动机高端部件的应用要求。
实施例2：
本实施例提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末采用磁控溅射法进行包覆处理，所述六方氮化硼粉末的平均粒径为20μm，所述磁控溅射法在磁控溅射炉中进行，所述六方氮化硼粉末盛入粉槽中，再整体置于磁控溅射炉中，所述磁控溅射炉先抽真空至4.0×10-3Pa，再通氩气至压力为0.07Pa，氩气的流量为16sccm，所述磁控溅射炉中的靶材为镍靶，镍靶上施加的脉冲电源的电压为510V，电流为5.8A，占空比为88％，所述磁控溅射炉中还设有振荡器，振荡器上施加的电压为105V，频率为38Hz，所述包覆处理的时间为100min，得到金属镍包覆的六方氮化硼粉体，包覆层的厚度为100nm；
(2)将步骤(1)得到的金属镍包覆的六方氮化硼粉体与平均粒径15μm的碳化铬粉末、平均粒径8μm的镍粉、平均粒径8μm的铬粉按照2:73:19:6的质量比湿法球磨混合，所述湿法球磨的介质为水，湿法球磨的时间为4h，湿法球磨后取出，加入水和粘结剂阿拉伯胶制备浆料，所述浆料中混合粉末占比49.5wt％，水占比47.5wt％，粘结剂占比3wt％，然后依次进行喷雾干燥、烧结，所述喷雾干燥分为喷雾造粒和热风干燥两个阶段，热风干燥时，热风的进口温度为240℃，出口温度为110℃，所述烧结在氢气保护下进行，温度为1000℃，时间为2.5h，再经过筛分，得到300目以上800目以下的金属陶瓷复合粉末；
(3)将步骤(2)得到的金属陶瓷复合粉末喷涂到金属基体上，所述金属基体的材质为镍基合金，喷涂前先对金属基体进行喷砂处理，喷砂角度为40度，所用气体的压力为0.4MPa，喷砂处理后采用无水乙醇进行超声清洗，清洗时间为1min，然后在金属基体上先喷涂过渡层，所述过渡层的材质为铝包镍粉末，其中镍含量为91wt％，所述过渡层的喷涂工艺中电流为400A，电压为124.5V，主气氩气流量为175L/min，次气氢气流量为16L/min，送粉气流量为4L/min，送粉气的压力为0.2MPa，喷涂距离为90mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.55MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.5MPa，喷涂次数为15次，每次喷涂的时间间隔为40s，得到的过渡层的厚度为120μm；
所述金属陶瓷复合粉末的喷涂采用超音速等离子喷涂的方式，超音速等离子喷涂的电流为470A，电压为110V，主气氩气流量为105L/min，次气氢气流量为25L/min，上送粉气的流量为2.5L/min，压力为0.3MPa，下送粉气的流量为19L/min，压力为0.6MPa，喷涂距离为90mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.55MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.5MPa，喷涂次数为20次，每次喷涂的时间间隔为12s，每喷涂5次暂停1min后继续喷涂，形成宽温域耐磨自润滑涂层，其厚度为170μm。
本实施例中，将宽温域耐磨自润滑涂层进行硬度测试、结合强度测试以及摩擦性能测试，所述测试方法与实施例1中的相应的测试方法相同。
本实施例中，经过上述测试，所述宽温域耐磨自润滑涂层在25℃下的硬度测试的平均值为950HV0.2；所述宽温域耐磨自润滑涂层的平均拉伸结合强度约为64MPa；所述宽温域耐磨自润滑涂层磨痕浅，磨损量低，摩擦系数在25～800℃宽温域范围内均可降至0.55以下，耐磨性和润滑性较高。
实施例3：
本实施例提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末采用磁控溅射法进行包覆处理，所述六方氮化硼粉末的平均粒径为40μm，所述磁控溅射法在磁控溅射炉中进行，所述六方氮化硼粉末盛入粉槽中，再整体置于磁控溅射炉中，所述磁控溅射炉先抽真空至1.0×10-3Pa，再通氩气至压力为0.06Pa，氩气的流量为14sccm，所述磁控溅射炉中的靶材为镍靶，镍靶上施加的脉冲电源的电压为515V，电流为6.0A，占空比为92％，所述磁控溅射炉中还设有振荡器，振荡器上施加的电压为120V，频率为42Hz，所述包覆处理的时间为120min，得到金属镍包覆的六方氮化硼粉体，包覆层的厚度为180nm；
(2)将步骤(1)得到的金属镍包覆的六方氮化硼粉体与平均粒径8μm的碳化铬粉末、平均粒径3μm的镍粉、平均粒径3μm的铬粉按照6:69:21:4的质量比湿法球磨混合，所述湿法球磨的介质为水，湿法球磨的时间为2h，湿法球磨后取出，加入水和粘结剂羧甲基纤维素制备浆料，所述浆料中混合粉末占比50.6wt％，水占比47.2wt％，粘结剂占比2.2wt％，然后依次进行喷雾干燥、烧结，所述喷雾干燥分为喷雾造粒和热风干燥两个阶段，热风干燥时，热风的进口温度为260℃，出口温度为130℃，所述烧结在氢气保护下进行，温度为1100℃，时间为2.5h，再经过筛分，得到300目以上800目以下的金属陶瓷复合粉末；
(3)将步骤(2)得到的金属陶瓷复合粉末喷涂到金属基体上，所述金属基体的材质为铁基合金，喷涂前先对金属基体进行喷砂处理，喷砂角度为30度，所用气体的压力为0.3MPa，喷砂处理后采用无水乙醇进行超声清洗，清洗时间为4min，然后在金属基体上先喷涂过渡层，所述过渡层的材质为镍铝合金，其中镍含量为90wt％，所述过渡层的喷涂工艺中电流为380A，电压为120V，主气氩气流量为170L/min，次气氢气流量为18L/min，送粉气流量为6L/min，送粉气的压力为0.3MPa，喷涂距离为110mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.4MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.6MPa，喷涂次数为12次，每次喷涂的时间间隔为45s，得到的过渡层的厚度为80μm；
所述金属陶瓷复合粉末的喷涂采用超音速等离子喷涂的方式，超音速等离子喷涂的电流为480A，电压为120V，主气氩气流量为115L/min，次气氢气流量为28L/min，上送粉气的流量为3L/min，压力为0.4MPa，下送粉气的流量为18L/min，压力为0.8MPa，喷涂距离为110mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.45MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.6MPa，喷涂次数为18次，每次喷涂的时间间隔为20s，每喷涂6次暂停1.5min后继续喷涂，形成宽温域耐磨自润滑涂层，其厚度为200μm。
本实施例中，将宽温域耐磨自润滑涂层进行硬度测试、结合强度测试以及摩擦性能测试，所述测试方法与实施例1中的相应的测试方法相同。
本实施例中，经过上述测试，所述宽温域耐磨自润滑涂层在25℃下的硬度测试的平均值为1050HV0.2；所述宽温域耐磨自润滑涂层的平均拉伸结合强度约为75MPa；所述宽温域耐磨自润滑涂层磨痕浅，磨损量低，摩擦系数在25～800℃宽温域范围内均可降至0.50以下，耐磨性和润滑性较高。
实施例4：
本实施例提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末采用磁控溅射法进行包覆处理，所述六方氮化硼粉末的平均粒径为35μm，所述磁控溅射法在磁控溅射炉中进行，所述六方氮化硼粉末盛入粉槽中，再整体置于磁控溅射炉中，所述磁控溅射炉先抽真空至8.0×10-4Pa，再通氖气至压力为0.08Pa，氖气的流量为15.5sccm，所述磁控溅射炉中的靶材为镍靶，镍靶上施加的脉冲电源的电压为512V，电流为5.85A，占空比为89％，所述磁控溅射炉中还设有振荡器，振荡器上施加的电压为115V，频率为39Hz，所述包覆处理的时间为105min，得到金属镍包覆的六方氮化硼粉体，包覆层的厚度为120nm；
(2)将步骤(1)得到的金属镍包覆的六方氮化硼粉体与平均粒径20μm的碳化铬粉末、平均粒径6μm的镍粉、平均粒径8μm的铬粉按照5:70:19.5:5.5的质量比湿法球磨混合，所述湿法球磨的介质为水，湿法球磨的时间为2.5h，湿法球磨后取出，加入水和粘结剂阿拉伯胶制备浆料，所述浆料中混合粉末占比50.5wt％，水占比47wt％，粘结剂占比2.5wt％，然后依次进行喷雾干燥、烧结，所述喷雾干燥分为喷雾造粒和热风干燥两个阶段，热风干燥时，热风的进口温度为245℃，出口温度为115℃，所述烧结在氦气保护下进行，温度为1050℃，时间为3h，再经过筛分，得到300目以上800目以下的金属陶瓷复合粉末；
(3)将步骤(2)得到的金属陶瓷复合粉末喷涂到金属基体上，所述金属基体的材质为GH4169，喷涂前先对金属基体进行喷砂处理，喷砂角度为60度，所用气体的压力为0.35MPa，喷砂处理后采用无水乙醇进行超声清洗，清洗时间为3min，然后在金属基体上先喷涂过渡层，所述过渡层的材质为镍铝合金，其中镍含量为93wt％，所述过渡层的喷涂工艺中电流为390A，电压为124V，主气氩气流量为178L/min，次气氢气流量为16.5L/min，送粉气流量为5.5L/min，送粉气的压力为0.35MPa，喷涂距离为105mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.7MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.5MPa，喷涂次数为16次，每次喷涂的时间间隔为30s，得到的过渡层的厚度为110μm；
所述金属陶瓷复合粉末的喷涂采用超音速等离子喷涂的方式，超音速等离子喷涂的电流为475A，电压为115V，主气氩气流量为108L/min，次气氢气流量为26L/min，上送粉气的流量为3L/min，压力为0.35MPa，下送粉气的流量为18.5L/min，压力为0.75MPa，喷涂距离为95mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.5MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.5MPa，喷涂次数为16次，每次喷涂的时间间隔为15s，每喷涂4次暂停1min后继续喷涂，形成宽温域耐磨自润滑涂层，其厚度为160μm。
本实施例中，将宽温域耐磨自润滑涂层进行硬度测试、结合强度测试以及摩擦性能测试，所述测试方法与实施例1中的相应的测试方法相同。
本实施例中，经过上述测试，所述宽温域耐磨自润滑涂层在25℃下的硬度测试的平均值为1000HV0.2；所述宽温域耐磨自润滑涂层的平均拉伸结合强度约为72MPa；所述宽温域耐磨自润滑涂层磨痕浅，磨损量低，摩擦系数在25～800℃宽温域范围内均可降至0.52以下，耐磨性和润滑性较高。
实施例5：
本实施例提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末采用磁控溅射法进行包覆处理，所述六方氮化硼粉末的平均粒径为25μm，所述磁控溅射法在磁控溅射炉中进行，所述六方氮化硼粉末盛入粉槽中，再整体置于磁控溅射炉中，所述磁控溅射炉先抽真空至3.0×10-3Pa，再通氩气至压力为0.05Pa，氩气的流量为14.5sccm，所述磁控溅射炉中的靶材为镍靶，镍靶上施加的脉冲电源的电压为514V，电流为5.95A，占空比为91％，所述磁控溅射炉中还设有振荡器，振荡器上施加的电压为110V，频率为41Hz，所述包覆处理的时间为115min，得到金属镍包覆的六方氮化硼粉体，包覆层的厚度为200nm；
(2)将步骤(1)得到的金属镍包覆的六方氮化硼粉体与平均粒径15μm的碳化铬粉末、平均粒径2μm的镍粉、平均粒径2μm的铬粉按照3:72:20.5:4.5的质量比湿法球磨混合，所述湿法球磨的介质为水，湿法球磨的时间为3.5h，湿法球磨后取出，加入水和粘结剂羧甲基纤维素制备浆料，所述浆料中混合粉末占比51wt％，水占比47wt％，粘结剂占比2wt％，然后依次进行喷雾干燥、烧结，所述喷雾干燥分为喷雾造粒和热风干燥两个阶段，热风干燥时，热风的进口温度为255℃，出口温度为125℃，所述烧结在氦气保护下进行，温度为1100℃，时间为3.5h，再经过筛分，得到300目以上800目以下的金属陶瓷复合粉末；
(3)将步骤(2)得到的金属陶瓷复合粉末喷涂到金属基体上，所述金属基体的材质为铜基合金，喷涂前先对金属基体进行喷砂处理，喷砂角度为50度，所用气体的压力为0.45MPa，喷砂处理后采用无水乙醇进行超声清洗，清洗时间为3min，然后在金属基体上先喷涂过渡层，所述过渡层的材质为铝包镍粉末，其中镍含量为92.5wt％，所述过渡层的喷涂工艺中电流为415A，电压为122V，主气氩气流量为172L/min，次气氢气流量为17.5L/min，送粉气流量为4.5L/min，送粉气的压力为0.25MPa，喷涂距离为95mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.4MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.6MPa，喷涂次数为20次，每次喷涂的时间间隔为30s，得到的过渡层的厚度为150μm；
所述金属陶瓷复合粉末的喷涂采用超音速等离子喷涂的方式，超音速等离子喷涂的电流为465A，电压为105V，主气氩气流量为120L/min，次气氢气流量为27L/min，上送粉气的流量为2L/min，压力为0.25MPa，下送粉气的流量为19.5L/min，压力为0.65MPa，喷涂距离为105mm，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.7MPa，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.5MPa，喷涂次数为20次，每次喷涂的时间间隔为18s，每喷涂5次暂停1min后继续喷涂，形成宽温域耐磨自润滑涂层，其厚度为200μm。
本实施例中，将宽温域耐磨自润滑涂层进行硬度测试、结合强度测试以及摩擦性能测试，所述测试方法与实施例1中的相应的测试方法相同。
本实施例中，经过上述测试，所述宽温域耐磨自润滑涂层在25℃下的硬度测试的平均值为1010HV0.2；所述宽温域耐磨自润滑涂层的平均拉伸结合强度约为68MPa；所述宽温域耐磨自润滑涂层磨痕浅，磨损量低，摩擦系数在25～800℃宽温域范围内均可降至0.54以下，耐磨性和润滑性较高。
对比例1：
本对比例提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，所述制备方法参照实施例中的方法，区别仅在于：不包括步骤(1)的操作，即六方氮化硼不进行包覆处理。
本对比例中，将宽温域耐磨自润滑涂层进行硬度测试、结合强度测试、摩擦性能测试以及磨痕三维形貌观察，所述测试方法与实施例1中的相应的测试方法相同。
本对比例中，由于hBN未经过包覆处理，其与碳化铬等组分的相容性较差，使得涂层的硬度、强度等性能降低；经过上述测试，所述宽温域耐磨自润滑涂层在25℃下的硬度测试的平均值为780HV0.2；所述宽温域耐磨自润滑涂层的平均拉伸结合强度约为62MPa；
根据实施例1中摩擦性能的结果数据，相比于对比例1中采用包覆处理的hBN作为涂层组分，实施例1中的耐磨性相比对比例1提高1～2倍，其中实施例1和对比例1中宽温域耐磨自润滑涂层在室温下的摩擦系数对比图如图7所示，同等条件下，实施例1中的摩擦系数基本小于对比例1中的摩擦系数；
而且，经过实施例1和对比例1中对磨痕三维形貌的观察，两者中的宽温域耐磨自润滑涂层在室温下的磨痕三维形貌以及磨痕深度对比图如图8所示，实施例1中的磨痕深度变化较小，尤其是在中间位置的磨痕深度明显小于对比例1中的磨痕深度。
对比例2：
本对比例提供了一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，所述制备方法参照实施例中的方法，区别仅在于：步骤(3)中不包括过渡层的喷涂。
本对比例中，将宽温域耐磨自润滑涂层进行硬度测试和结合强度测试，所述测试方法与实施例1中的相应的测试方法相同。
本对比例中，由于金属基体上未喷涂过渡层，耐磨自润滑涂层与金属基体之间的热物性差异，容易造成涂层与金属基体之间的结合强度降低，使得涂层的硬度、强度等性能降低；经过上述测试，所述宽温域耐磨自润滑涂层在25℃下的硬度测试的平均值为900HV0.2；所述宽温域耐磨自润滑涂层的平均拉伸结合强度明显降低，仅为40MPa。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述方法通过采用磁控溅射法对六方氮化硼进行金属包覆，改变其与金属及陶瓷材料之间的浸润性和相容性，保证高质量复合粉末的制备，复合粉末的粒径可控，所述磁控溅射法使得金属膜层致密，附着性好，且制粉过程简单，可重复性高；所述方法采用超音速等离子喷涂工艺制备涂层，可有效抑制碳化铬的分解，提高涂层的耐磨性，从而形成致密、结合强度高的涂层，再通过在基体和涂层之间设置过渡层，通过铝热反应使得过渡层与涂层、过渡层与基体之间发生元素扩散，形成强结合，进一步提高涂层的承载力和结合强度，不易发生开裂和脱落，提高应用零部件的使用寿命；所述方法操作简单，适用范围广，尤其能够适用于薄壁零部件上涂层的形成，所得涂层无裂纹缺陷，能够用于高温、极端摩擦等工况，扩展了其应用范围。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明方法的等效替换及辅助步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种宽温域耐磨自润滑涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末采用磁控溅射法进行包覆处理，得到金属包覆的六方氮化硼粉体；
(2)将步骤(1)得到的金属包覆的六方氮化硼粉体与碳化铬粉末、镍粉、铬粉混合后依次进行喷雾干燥、烧结，得到金属陶瓷复合粉末；
(3)将步骤(2)得到的金属陶瓷复合粉末喷涂到提前喷涂过渡层的金属基体上，形成宽温域耐磨自润滑涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述六方氮化硼粉末的粒径为15～45μm；
优选地，步骤(1)所述磁控溅射法在磁控溅射炉中进行，所述六方氮化硼粉末盛入粉槽中，再整体置于磁控溅射炉中；
优选地，步骤(1)所述包覆处理时磁控溅射炉中维持真空条件，并通入保护性气体；
优选地，步骤(1)所述磁控溅射炉先抽真空至4.0×10-3Pa以下，再通保护性气体至压力为0.05～0.1Pa，优选为0.06～0.07Pa；
优选地，步骤(1)所述保护性气体的流量为14～16sccm。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射炉中的靶材为金属靶，优选为镍靶；
优选地，所述靶材与脉冲电源相连，所述脉冲电源的电压为510～515V，电流为5.8～6.0A，占空比为88％～92％；
优选地，所述磁控溅射炉中还设有振荡器；
优选地，所述振荡器上施加的电压为105～120V，所述振荡器的频率为38～42Hz；
优选地，步骤(1)所述包覆处理的时间为100～120min；
优选地，所述六方氮化硼粉体表面的金属包覆层的厚度为100～200nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述碳化铬粉末的粒径为5～25μm；
优选地，步骤(2)所述镍粉和铬粉的粒径独立地为1～10μm；
优选地，步骤(2)所述金属包覆的六方氮化硼粉体、碳化铬粉末、镍粉和铬粉的质量比为(2～6):(69～73):(19～21):(4～6)；
优选地，步骤(2)所述混合的方式包括湿法球磨；
优选地，所述湿法球磨的介质为水，湿法球磨的时间为2～4h；
优选地，所述湿法球磨后取出，加入水和粘结剂制备浆料；
优选地，所述浆料中混合粉末的质量分数为48～52wt％，水的质量分数为47～48wt％，粘结剂的质量分数为2～3wt％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述喷雾干燥分为喷雾造粒和热风干燥两个阶段；
优选地，所述热风干燥时，热风的进口温度为240～260℃，出口温度为110～130℃；
优选地，步骤(2)所述烧结的温度为1000～1100℃，时间为2.5～3.5h；
优选地，步骤(2)所述烧结在保护性气氛中进行；
优选地，所述保护性气氛包括氢气和/或惰性气体；
优选地，步骤(2)所述金属陶瓷复合粉末进行筛分，筛选300～800目的复合粉末。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述金属基体的材质包括镍基合金、铁基合金、铝基合金或铜基合金中任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(3)所述喷涂前先对金属基体进行喷砂处理；
优选地，所述喷砂处理的喷砂角度为30～60度；
优选地，所述喷砂处理所用气体的压力为0.3～0.5MPa；
优选地，所述喷砂处理后进行超声清洗，所述超声清洗所用介质包括有机溶剂；
优选地，所述超声清洗的时间为1～5min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述过渡层的材质包括镍基合金，优选为铝包镍粉末；
优选地，步骤(3)所述铝包镍粉末中镍含量为90～93wt％；
优选地，步骤(3)所述过渡层的厚度为50～150μm；
优选地，步骤(3)所述过渡层的喷涂工艺中电流为380～420A，电压为120～125V；
优选地，步骤(3)所述过渡层的喷涂工艺中主气流量为170～180L/min，次气流量为16～18L/min；
优选地，步骤(3)所述过渡层的喷涂工艺中送粉气流量为4～6L/min，送粉气的压力为0.2～0.4MPa；
优选地，步骤(3)所述过渡层的喷涂工艺中喷涂距离为90～110mm；
优选地，所述过渡层喷涂时的喷涂次数为10次以上，每次喷涂的时间间隔为30～60s；
优选地，所述过渡层喷涂时，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.4～0.7MPa；
优选地，所述过渡层喷涂时，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.4～0.7MPa。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述金属陶瓷复合粉末的喷涂采用超音速等离子喷涂的方式；
优选地，所述超音速等离子喷涂的电流为465～480A，电压为100～120V；
优选地，所述超音速等离子喷涂的主气流量为105～115L/min，次气流量为25～28L/min；
优选地，所述超音速等离子喷涂的上送粉气的流量为2～3L/min，压力为0.2～0.4MPa，下送粉气的流量为18～20L/min，压力为0.6～0.8MPa；
优选地，所述超音速等离子喷涂的喷涂距离为90～110mm；
优选地，所述超音速等离子喷涂的喷涂次数为15～20次，每次喷涂的时间间隔为10～20s；
优选地，所述超音速等离子喷涂时，金属基体的背面增加冷却气，所述冷却气的压力为0.4～0.7MPa；
优选地，所述超音速等离子喷涂时，金属基体的表面增加清扫气，所述清扫气的压力为0.4～0.7MPa。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的宽温域耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述宽温域耐磨自润滑涂层的厚度为150～200μm；
优选地，所述宽温域耐磨自润滑涂层的孔隙率为0.1％～0.5％；
优选地，所述宽温域耐磨自润滑涂层的耐受温度为25～1000℃。
10.根据权利要求9所述的宽温域耐磨自润滑涂层的用途，其特征在于，所述宽温域耐磨自润滑涂层喷涂于薄壁部件的表面；
优选地，所述薄壁部件的厚度为0.5～1mm；
优选地，所述薄壁部件为发动机中的零部件，所述薄壁部件应用于航空航天、核能、石油工业及机械设备领域中。
CN202310242344.2A 2023-03-14 2023-03-14 一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途 Pending CN116200695A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310242344.2A CN116200695A (zh) 2023-03-14 2023-03-14 一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310242344.2A CN116200695A (zh) 2023-03-14 2023-03-14 一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116200695A true CN116200695A (zh) 2023-06-02

Family

ID=86519116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310242344.2A Pending CN116200695A (zh) 2023-03-14 2023-03-14 一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116200695A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8206792B2 (en) Method for forming ceramic containing composite structure
EP1866455B1 (en) Thermal spray feedstock composition
CN104195492B (zh) 耐磨耐蚀涂层材料及制备方法与涂层及制备方法
CN111235511B (zh) 多元陶瓷复合涂层的制备方法
CN115233137B (zh) 低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料、制备方法及应用
JP7341582B2 (ja) 高温保護用ＮｉＣｒＢＳｉ－ＺｒＢ２サーメット粉末、複合コーティング及びその製造方法
CN111848220B (zh) Mb2基超高温陶瓷涂层及其制备方法
CN105648296B (zh) 一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺
CN106756717B (zh) 一种高强耐磨铜镍锡合金涂层的制备方法
CN112974813B (zh) 一种钛基复合粉末及其制备方法、原位增强钛基复合涂层及其制备方法
CN111334742B (zh) 过渡族金属难熔化合物陶瓷复合涂层的制备方法
CN108690946A (zh) 一种喷焊粉末材料及其制备方法和应用
CN107630184B (zh) 一种在铌或铌合金表面制备硅化铌涂层的方法
CN111118436A (zh) 一种Co基-WC/TiN/TiCN复合涂层以及冷冲模具的修复方法
CN112281105A (zh) 一种金属陶瓷复合涂层及其制备方法和应用
CN116200695A (zh) 一种宽温域耐磨自润滑涂层及其制备方法和用途
CN115287575A (zh) 超音速火焰喷涂高结合强度涂层的方法
CN107904547A (zh) 一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法
WO2016058513A2 (zh) 一种硬度和韧性优异的等离子喷涂tin涂层、其制备方法及涂有该tin涂层的模具
CN111004991A (zh) 一种热作模具钢高耐磨高耐蚀保护层的制备方法
CN117210780B (zh) 一种高耐磨超音速火焰喷涂碳化铬基涂层及其制备方法
CN111826599B (zh) 一种适用于钛合金的高性能复合涂层及其制备方法
CN117070821B (zh) 一种WC-Co金属陶瓷颗粒梯度增强铜基耐磨涂层及其制备方法
CN112779451B (zh) 一种碳化铬金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备方法
CN111825457B (zh) Mc基超高温陶瓷涂层及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination