箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層及其製備方法
2023-05-27 18:29:36 1
專利名稱：箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層及其製備方法
技術領域：
本發明屬於耐高溫摩擦磨損材料領域，具體涉及PS300系列及製備技術，特別涉及箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層及其製備方法。
背景技術：
目前，箔片空氣動壓軸承已在高溫高速旋轉機械中得到了成功的應用，例如空氣制冷機、輔助能量單元和各類小型透平壓縮機及航空機械上，包括波音747、757、767、DC-10、F-15、F-16以及幻影2000等都採用了箔片空氣動壓軸承。箔片空氣動壓軸承技術進步和發展的關鍵技術之一是高溫起停時的潤滑。在正常高速運轉中，軸承被支撐在由其自身所產生的空氣薄膜上，因此不會產生磨損，但在軸的啟動以及停止時，箔片會與軸頸發生摩擦，不可避免地產生磨損。而當箔片磨損超過其厚度的25％時，以及當軸杆的磨損超過0.025mm時，此箔片空氣軸承即已失效。由於傳統的石墨、聚四氟乙烯、MoS2等固體自潤滑材料在溫度高於300℃時已失去潤滑作用，因此美國NASA格林研究中心於1995～1997年在PS300的基礎上研製成功耐高溫(室溫～650℃)箔片空氣軸承的PS304塗層(美國專利US 5866518)，該塗層為NiCr(80wt％Ni-20wt％Cr)合金基體，包含3種潤滑材料，Cr2O3、Ag和BaF2/CaF2的共晶體(62wt％BaF2-38wt％CaF2)。其中，NiCr合金(佔總重量60wt％)提供良好的耐高溫氧化、耐高溫腐蝕性能和基本機械強度；Cr2O3(佔總重量20wt％)不僅可強化塗層的強度，而且可提供有效的高溫潤滑性能(溫度＞500℃)；當溫度低於450℃時，Ag(佔總重量10wt％)可提供良好的潤滑性能；當溫度大於450℃時，BaF2/CaF2(佔總重量10wt％)可提供良好的潤滑性能。
PS304的加工過程為先將NiCr粉(44～74um)、Cr2O3粉(30～44um)、Ag粉(45～100um)和共晶BaF2/CaF2(約50um)粉末混合後再用等離子噴塗到軸頸上，其加工過程如圖1所示。圖2為格林研究中心研製的PS304塗層剖面掃描電鏡照片，圖中顯示塗層的組織粗大、不均勻並且有較多的孔隙。圖3為PS304塗層在540℃退火150小時後的掃描電鏡照片，圖中表明Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子均處於微米數量級，且分布不均勻。
從材料學科的角度分析，上述PS304塗層的組織並不理想。對於使用厚度約為100～200um的塗層，形狀不規則且長度遠大於10um的Ag、Cr2O3、BaF2/CaF2造成塗層組織的嚴重不均勻。這種不均勻的塗層易造成不均勻的潤滑作用，微米級的Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子易過早地被剝離脫落而失去潤滑作用，且不均勻的Cr2O3造成NiCr基體的強度和硬度的不均勻，產生較大的殘餘應力，易導致塗層局部或整體的破壞。然而，當塗層中自潤滑相尺寸達到納米級且分布均勻時，納米結構塗層的耐摩擦磨損性能、熱學性能以及力學性將能得到不同程度的提高。因此，如果大幅度細化自潤滑顆粒的尺寸並使之分布均勻，可使PS304塗層的性能得到明顯的提高。
發明內容
本發明的目的是提供一種箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層及其製備方法，該方法大幅度細化塗層中的自潤滑顆粒，使Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子由微米數量級細化至納米數量級，以提高塗層的潤滑性能及強度。
為了實現上述目的，本發明採取的技術方案是，一種箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層，其特徵在於，該塗層所包含的重量比成分為Ni47％～49％，Cr11％～13％，Cr2O318％～22％，BaF25％～7％，CaF22％～4％，餘量為Ag。
實現上述箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層的製備方法，其特徵在於，其製備方法包括以下步驟1)塗層的重量比配方Ni47％～49％、Cr11％～13％、Cr2O318％～22％、BaF25％～7％、CaF22％～4％、餘量為Ag；2)採用高能球磨機對上述配方中的純度大於99.9％、粒度為100um～200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2、Ag粉體進行球磨5小時～8小時，使上述粉末均勻混合成粒度小於100nm的複合納米粉末；3)將獲得的複合納米粉末採用等離子噴塗法在箔片空氣軸承的軸頸上進行噴塗，獲得Cr2O3和BaF2/CaF2顆粒小於200nm且分布均勻的納米複合潤滑塗層；4)最後將納米複合潤滑塗層在500℃～600℃大氣環境下保溫15～20小時。
本發明採用100～200um的粉末為原料，具有成本低的優點，高能球磨後粉末粒度小於100um，等離子噴塗時粉末流動性好，不會阻塞管道與噴嘴。而現有的PS304噴塗技術採用小於100um的粉體，成本高，且容易阻塞管道與噴嘴。
因納米粉體的熔點較微米粉體的熔點有較大的降低，故等離子噴塗時所需的電壓、電流也較小；並且用納米粉體進行噴塗時，粉體的沉積率有20％的提高，所以用納米粉體進行噴塗可進一步降低成本。
經等離子噴塗後，本發明的塗層內納米級的自潤滑相Cr2O3、BaF2和CaF2顆粒小於200nm，且均勻分布在NiCr基體中，而現有的PS304塗層自潤滑相為微米級分布，且分布不均勻。
納米複合耐高溫塗層的性能明顯優於現有的PS304塗層。使用Al2O3、AlCu4、Ni基硬質合金與本發明的塗層進行摩擦磨損試驗數據表明，本發明的塗層在室溫～350℃時，磨損量比現有的PS304塗層降低30％，而在350～650℃時，磨損量降低20％。
圖1是美國專利US 5866518的PS304塗層加工過程圖片，其中(a)為底切，(b)為噴沙，(c)為噴塗(d)為表面處理；圖2為PS304塗層縱剖面圖片；圖3為PS304塗層在450℃運行150小時後掃描電鏡照片；圖4為本發明製備的複合粉末的透射電鏡照片；圖5為現有技術製備的BaF2/CaF2粉末照片；圖6為高能球磨粉料噴塗後的塗層顆粒比較細小的塗層表面形貌圖片；圖7為簡單混合粉料噴塗後的塗層粗糙且有深坑的塗層表面形貌圖片；圖8為簡單混合粉體噴塗後Ag大面積熔化，造成成分的嚴重偏析的塗層形貌圖片。
具體實施例方式
以下結合發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
實施例按照上述技術方案，本實施例的箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層所包含的重量比成分為Ni為48％，Cr為12％，Cr2O3為20％，BaF2為6％，CaF2為4％，餘量為Ag其製備方法是①將上述純度均大於99.9％、粒度為100～200um的Ni粉、Cr粉、Cr2O3粉、BaF2粉、CaF2粉、Ag粉在高能球磨機中球磨5小時～8小時，使上述粉末均勻混合成粒度小於100nm的複合粉末(即每個顆粒內均含有上述成分)。圖4為本發明製備的複合粉末的透射電鏡照片，由圖可知，複合粉末的粒度小於100nm。而現有的技術是將上述粉末簡單混合(所用粉末的粒度前面已述)，且只控制BaF2/CaF2粉末的形狀及大小，要求使用球狀粉末。圖5為現有技術製備的BaF2/CaF2粉末照片，其中球狀粉末的製備成本極高。這是本發明不同於現有PS304制粉技術的關鍵發明點之一。
②將高能球磨的複合粉末用等離子噴塗到軸頸上，噴塗參數如下表1所示。由於納米粉體的熔點低於微米粉體的熔點，因此噴塗電壓與電流均低於現有的PS304噴塗電壓和電流。軸頸的加工過程與圖1相同。
表一噴塗參數
本實施例的經高能球磨得到的複合粉末，噴塗後的塗層孔隙率較低、粒子與粒子結合面積增大、表面噴濺的液滴也較小，如圖6所示。而用現有的PS304技術進行噴塗，塗層孔隙率較大、有較大的深坑，如圖7所示；且有Ag的大面積融化層，如圖8所示，造成成分分布的不均勻性。
因此，採用本發明的納米粉末進行等離子噴塗，噴塗所需能量有10％的降低；且噴塗沉積率有20％的提高，因此採用本發明的納米粉末可明顯降低噴塗成本。
③將塗層在500℃～600℃大氣環境下保溫15～20小時，可消除塗層中的殘餘應力、增強粒子與粒子之間和塗層與基底之間的結合強度，並使固熔於Ni中的Cr以小於100nm的粒度從Ni基體中析出，從而起到析出強化的效果。而現有的熱處理技術是在650℃退火50小時消除塗層內殘餘應力且析出微米數量級Cr顆粒。
經過上述加工，獲得自潤滑相(Cr2O3、BaF2/CaF2)和增強相(Cr)以納米數量級的尺寸均勻分布在NiCr基體中的納米複合組織，而現有PS304系列等塗層的加工技術是獲得微米混合組織(如前圖3所示)。這是本發明不同於現有PS304系列組織的另一關鍵發明點(PS304專利未保護塗層組實施例)。
採用本發明的納米粉體進行等離子噴塗，由於獲得Cr2O3、BaF2和CaF2顆粒小於200nm且分布均勻的納米複合潤滑塗層，根據試驗表明，箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層所包含的Ni為47％～49％，Cr為11％～13％，Cr2O3為18％～22％，BaF2為5％～7％，CaF2為2％～4％，餘量為Ag是合適的，在上述配方範圍內得到的潤滑塗層優於現有的PS304塗層；申請人使用現有的箔片空氣軸承採用的Al2O3、AlCu4、Ni基硬質合金材料與本發明的塗層進行摩擦磨損試驗，試驗數據表明室溫～350℃時，磨損量比現有的PS304塗層降低30％，而在350～650℃時，磨損量降低20％，這對於延長箔片軸承的使用壽命、降低維護費用具有重大意義。
權利要求
1.一種箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層，其特徵在於，該塗層所包含的重量比成分為Ni47％～49％，Cr11％～13％，Cr2O318％～22％，BaF25％～7％，CaF22％～4％，餘量為Ag。
2.實現如權利要求1所述的箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層的製備方法，其特徵在於，其製備方法包括以下步驟1)塗層的重量比配方Ni47％～49％、Cr11％～13％、Cr2O318％～22％、BaF25％～7％、CaF22％～4％、餘量為Ag；2)採用高能球磨機對上述配方中的純度大於99.9％、粒度為100um～200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2、Ag粉體進行球磨5小時～8小時，使上述粉末均勻混合成粒度小於100nm的複合納米粉末；3)將獲得的複合納米粉末採用等離子噴塗法在箔片空氣軸承的軸頸上進行噴塗，獲得Cr2O3和BaF2/CaF2顆粒小於200nm且分布均勻的納米複合潤滑塗層；4)最後將納米複合潤滑塗層在500℃～600℃大氣環境下保溫15～20小時。
全文摘要
本發明公開了一種箔片空氣軸承耐高溫納米複合潤滑塗層及其製備方法，該塗層所包含的重量比成分為Ni47％～49％，Cr11％～13％，Cr
文檔編號C10M103/00GK1613981SQ20041007307
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月13日 優先權日2004年9月13日
發明者丁春華, 楊志懋, 宋曉平, 虞烈, 張暉, 侯德門, 王一兵, 周敬恩 申請人:西安交通大學