一種寬溫域自潤滑涂層的制備技術的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種全金屬相寬溫域自潤滑涂層的制備技術。涂層采用大氣等離子噴涂技術制備，其噴涂粉末由NiCrAlY、Cr2O3、Ag和CaF2/BaF2共晶四種粉末組成。制備的NiCrAlY-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2寬溫域自潤滑涂層，在20℃到1000℃的溫度范圍內，具有較低的摩擦系數(shù)和磨損率。本發(fā)明制備工藝簡單，價格低廉，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，該寬溫域固體自潤滑涂層可以在20℃到1000℃的溫度范圍內使用，以此降低機械中零部件的摩擦磨損，拓寬了機械部件的工作溫度，具有重要的工程應用價值。
【專利說明】一種寬溫域自潤滑涂層的制備技術
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種寬溫域自潤滑涂層的制備技術。
【背景技術】
[0002] 隨著航空、航天、艦船、戰(zhàn)車等高新軍民技術產(chǎn)業(yè)中所涉及的各類發(fā)動機，不斷向 高推重比、高流量比的快速發(fā)展，以及現(xiàn)代高技術裝備的運行工況越來越苛刻、條件越來越 復雜和不斷提升的高精度、高可靠性和長壽命等方面的要求，對突破原有涂層材料綜合性 能極限的高性能寬溫域自潤滑涂層的需求也越來越迫切，我國急需解決從室溫~1〇〇〇°〇寬 溫域范圍內具有優(yōu)異摩擦磨損性能的自潤滑涂層技術，該涂層不但能在更高溫度條件下， 尤其是在800°C~1000°C范圍內具有優(yōu)異的自潤滑性能，而且還要具有優(yōu)異的環(huán)境適應性 及穩(wěn)定性。美國為了解決箔片空氣軸承在起停過程中箔片和軸間產(chǎn)生滑動接觸引而起嚴 重磨損這一難題，美國宇航局格林研究中心，于上個世紀九十年代利用大氣等離子噴涂技 術，成功制備出PS304高溫自潤滑涂層，該涂層可以實現(xiàn)室溫飛50°C的連續(xù)潤滑。為了改 善涂層在高溫條件下，涂層的相關熱力學性能和其高溫穩(wěn)定性，該研究中心又于2009年報 道了其最新研制的PS400涂層，該涂層采用鎳鑰鋁（NiMoAl)替代鎳鉻作為涂層的粘結相， 以此來提高涂層在高溫條件下的穩(wěn)定性。但是上述兩種涂層為代表的PS系列寬溫域自潤 滑涂層都存在一個不足，即這些涂層的最高服役溫度都在650°C左右，不能滿足更高溫度條 件下的應用。因此，目前PS系列的涂層已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代高溫潤滑部件的要求，如絕熱發(fā) 動機機械軸承襯墊的工作溫度范圍在600°C?1000°C，所以迫切需要研制可實現(xiàn)從室溫到 1000°C范圍內，均具有良好潤滑性能的寬溫域自潤滑涂層。
【發(fā)明內容】
[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種寬溫域固體自潤滑涂層的制備技術，由該技術制備的 涂層可實現(xiàn)從室溫到l〇〇〇°C的連續(xù)潤滑。
[0004] 本發(fā)明的目的可通過如下措施來實現(xiàn)： 本發(fā)明利用大氣等離子噴涂技術制備，噴涂粉末通過高溫焰流后，形成熔融或半熔融 態(tài)液滴，瞬間沉積在高溫合金鋼基材上，通過數(shù)遍的沉積過程，最終形成涂層。
[0005] -種寬溫域自潤滑涂層的制備技術，采用大氣等離子噴涂工藝制備，其特征在于 該技術涂層的噴涂過程是用大氣等離子噴涂設備完成，具體步驟為： A、 按照粉末配比稱取NiCrAlY合金粉末、Cr2O3粉末、Ag粉末和CaF2/BaF2共晶粉 末；將上述四種粉末置于機械混料機中混合后制得噴涂粉末；使噴涂粉末的流動性達到 22. 0?26· 0s/50g，松裝密度達到 3. 8?4. 6g/cm3 ; B、 將高溫合金鋼基材進行表面粗化處理及清洗； C、 將步驟A制備的噴涂粉末裝入大氣等離子噴涂設備的送粉器中，再將經(jīng)過步驟B 處理后的高溫合金鋼固定在噴涂臺上，設定噴涂工藝參數(shù)后，用大氣等離子噴涂工藝制備 NiCrAlY-Cr2O3-Ag-CaF2ZiBaF2 寬溫域自潤滑涂層。
[0006] 在步驟A中，噴涂粉末中NiCrAlY粉末占60?80wt%，Cr2O3粉末占l(T20wt%，Ag粉 占5?10wt%，CaF2/BaF2共晶粉末占5?10wt%。
[0007] 在步驟A中，NiCrAlY粉末為不規(guī)則形狀，粒徑為3(Tl00Mm，NiCrAlY粉末中Ni含 量為67%，Cr含量為22%，Al含量為10%，其余為Y。
[0008] 在步驟A中，Cr2O3粉末為機械破碎粉末，其粒徑為2(T8〇Mm。
[0009] 在步驟A中，Ag粉為球形，粒徑為8(Tl2〇Mm。
[0010] 在步驟A中，CaF2/BaF2共晶粉末是通過等離子球化技術制備而成，其組成為BaF2 占68wt%，CaF2占32wt%，制得的CaF2/BaF2共晶粉末呈規(guī)則的球形，粉末粒徑為2(Tl5〇Mm。
[0011] 在步驟C中，噴涂前，應對高溫合金鋼基體進行預熱處理，使得基體溫度達到 8(Tl00°C時，再進行涂層噴涂。
[0012] 在步驟C中，利用大氣等離子噴涂設備，將制備的噴涂粉末通過噴槍的高溫焰流， 沉積在金屬基材上，得到NiCrAlY-Cr203_Ag-CaF2/BaF2寬溫域自潤滑涂層。其具體的噴涂 參數(shù)為：噴涂電壓為40(T600V，噴涂電流為55?70A，主氣流量為35?65L/min，主氣壓力為 0. 3?0. 5MPa，次氣壓力為0. 3?0. 4MPa，送粉氣流量為5?8L/min，噴涂距離為8?10cm，噴涂 角度70?90°。
[0013] 本發(fā)明采用大氣等離子噴涂技術，制備寬溫域自潤滑涂層，噴涂粉末中的NiCrAlY 合金為涂層的粘結相，Cr2O3為涂層的增強相，Ag為涂層的中低溫潤滑相，CaF2/BaF2共晶 為涂層的高溫潤滑相。本發(fā)明中，采用具有優(yōu)異抗高溫性能的NiCrAlY粉末作為涂層的 粘結相，大幅度地提高了所制備涂層的高溫服役溫度，實現(xiàn)了涂層在更寬溫域范圍內具有 自潤滑特性；同時，所制備的寬溫域自潤滑涂層是一種單層結構涂層，涂層的厚度控制在 0. 2mnTlmm之間；涂層的結合強度在20~35MPa之間。將制備的涂層與Si3N4配副后進行摩 擦試驗，摩擦副在20°C、200°C、400°C、600°C，800°C和1000°C的平均摩擦系數(shù)在0· 23、· 44 之間，涂層的磨損率在2. 0XKr5mm3/NnTl0. 0Xl(T5mm3/Nm之間。涂層與高溫合金鋼配副 后進行摩擦試驗，摩擦副在201：、2001：、4001：、6001：和8001：的平均摩擦系數(shù)在0.3~0.45 之間，涂層的磨損率在I.OXl(T5mm3/NnT4. 5Xl(T5mm3/Nm之間。涂層與Cu4Al配副后進行 摩擦試驗，摩擦副在20°C的平均摩擦系數(shù)在0. 15~0. 2之間，在650°C時的平均摩擦系數(shù)在 0.2~0. 25之間。對于上述技術方案的運用，本發(fā)明具有的優(yōu)點：本發(fā)明采用具有優(yōu)異抗高 溫性能的NiCrAlY合金作為寬溫域自潤滑涂層的粘結相，與美國NASA研制的PS系列涂層 相比，本發(fā)明制備的涂層大幅度提高了涂層的服役溫度，涂層實現(xiàn)了從室溫~l〇〇〇°C的寬溫 域范圍內工作。
[0014] 本發(fā)明制備的寬溫域自潤滑涂層，在室溫~10001：的寬溫域范圍內，具有較低的摩 擦系數(shù)和磨損率，不僅可以為箔片空氣軸承等傳統(tǒng)的潤滑部件提供潤滑，還可以推廣到在 KKKTC環(huán)境下運行的現(xiàn)代工業(yè)機械中，以改善零部件間的摩擦與磨損。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為制備的該寬溫域自潤滑涂層的XRD衍射譜圖。
[0016] 圖2為涂層在KKKTC摩擦實驗后的光學照片，涂層磨痕表面光滑平整，且經(jīng)高溫 摩擦實驗后，涂層沒有發(fā)生明顯的氧化和從金屬基材上的剝落。
【具體實施方式】
[0017] 實施例1 : 本實施例寬溫域自潤滑涂層的制備方法，具體步驟如下： A:分別稱?。篘iCrAlY粉末：120g，其粉末粒徑為45~75Mm;Cr2O3粉末：40g，其粉末粒 徑為3(T6〇Mm;Ag粉末：20g，其粉末粒徑為8(Tl00Mm;CaF2/BaF2*晶粉末：20g，其粉末粒徑 為KKTHOMffl。將稱取的四種粉末置于機械混料機中混合后，得到所需的噴涂粉末，該噴涂 粉末的流動性為：24. 6s/50g，松裝密度為：3. 9g/cm3。
[0018]B:GH4169合金鋼基材表面粗化處理及清洗。
[0019]C:將步驟A制備的噴涂粉末裝入送粉器中，再將經(jīng)過步驟B處理后的GH4169合金 鋼固定在樣品臺架上，對合金鋼基體進行預熱，使得基體溫度為80°C~100°C時進行涂層噴 涂。大氣等離子噴涂的具體工藝參數(shù)為：噴涂電流450A，噴涂電壓60V，送粉氣流量6L/min， 主氣流量50L/min，主氣壓力0· 5MPa，次氣壓力0· 3MPa，噴涂距離10cm，噴涂角度90°。
[0020] 用千分尺測量步驟C制備涂層的厚度為400Mm;涂層的結合強度為28MPa。利用 球盤高溫摩擦磨損實驗機表征涂層在201：、2001：、4001：、6001：、8001：和10001：的摩擦磨 損性能，使用的對偶為Si3N4球。表1給出了摩擦副的摩擦學數(shù)據(jù)，可以看出涂層在20°C到 l〇〇〇°C的溫度范圍內都具有較好的潤滑性能。
[0021] 表INiCrAlY-Cr2O3-Ag-CaF2ZiBaF2涂層和Si3N4配副的摩擦磨損性能 實施例2 :
【權利要求】
1. 一種寬溫域自潤滑涂層的制備技術，采用大氣等離子噴涂工藝制備，其特征在于該 技術涂層的噴涂過程是用大氣等離子噴涂設備完成，具體步驟為： A、 按照粉末配比稱取NiCrAlY合金粉末、Cr203粉末、Ag粉末和CaF2/BaF 2共晶粉 末；將上述四種粉末置于機械混料機中混合后制得噴涂粉末；使噴涂粉末的流動性達到 22. 0?26· 0s/50g，松裝密度達到 3. 8?4. 6g/cm3 ; B、 將高溫合金鋼基材進行表面粗化處理及清洗； C、 將步驟A制備的噴涂粉末裝入大氣等離子噴涂設備的送粉器中，再將經(jīng)過步驟B 處理后的高溫合金鋼固定在噴涂臺上，設定噴涂工藝參數(shù)后，用大氣等離子噴涂工藝制備 NiCrAlY-Cr203-Ag-CaF2/BaF2 寬溫域自潤滑涂層。
2. 如權利要求1所述的制備技術，其特征在于，在步驟A中，噴涂粉末中NiCrAlY粉末 占 60?80wt%，Cr203 粉末占 l(T20wt%，Ag 粉占 5?10wt%，CaF2/BaF2 共晶粉末占 5?10wt%。
3. 如權利要求1所述的制備技術，其特征在于，在步驟A中，NiCrAlY粉末為不規(guī)則形 狀，粒徑為3(Tl00Mm，NiCrAlY粉末中Ni含量為67%，Cr含量為22%，A1含量為10%，其余為 Y。
4. 如權利要求1所述的制備技術，其特征在于，在步驟A中，Cr203粉末為機械破碎粉 末，其粒徑為2(T8〇Mm。
5. 如權利要求1所述的制備技術，其特征在于，在步驟A中，Ag粉為球形，粒徑為 80?120Mm。
6. 如權利要求1所述的制備技術，其特征在于，在步驟A中，CaF2/BaF2共晶粉末是通過 等離子球化技術制備而成，其組成為BaF 2占68wt%，CaF2占32wt%，制得的CaF2/BaF2共晶粉 末呈規(guī)則的球形，粉末粒徑為2(Tl5〇Mm。
7. 如權利要求1所述的制備技術，其特征在于，在步驟C中，噴涂前，應對高溫合金鋼基 體進行預熱處理，使得基體溫度達到8(T10(TC時，再進行涂層噴涂。
8. 如權利要求1所述的制備技術，其特征在于，在步驟C中，利用大氣等離子噴涂設備， 將制備的噴涂粉末通過噴槍的高溫焰流，沉積在金屬基材上，得到NiCrAlY-Cr 203_Ag-CaF2/ BaF2寬溫域自潤滑涂層。
9. 其具體的噴涂參數(shù)為：噴涂電壓為40(T600V，噴涂電流為55?70A，主氣流量為35?65 L/min，主氣壓力為0.3?0.5MPa，次氣壓力為0.3?0.4 MPa，送粉氣流量為5?8 L/min，噴涂距 離為8~10cm，噴涂角度70~90°。
【文檔編號】C23C4/06GK104278226SQ201310274044
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月2日 優(yōu)先權日:2013年7月2日
【發(fā)明者】趙曉琴, 陳杰, 安宇龍, 周惠娣, 陳建敏, 閻逢元 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所