一種寬溫域自潤滑塗層的製備技術的製作方法

2023-07-17 01:22:11

一種寬溫域自潤滑塗層的製備技術的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種全金屬相寬溫域自潤滑塗層的製備技術。塗層採用大氣等離子噴塗技術製備，其噴塗粉末由NiCrAlY、Cr2O3、Ag和CaF2/BaF2共晶四種粉末組成。製備的NiCrAlY-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2寬溫域自潤滑塗層，在20℃到1000℃的溫度範圍內，具有較低的摩擦係數和磨損率。本發明製備工藝簡單，價格低廉，有利於工業化生產，該寬溫域固體自潤滑塗層可以在20℃到1000℃的溫度範圍內使用，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】一種寬溫域自潤滑塗層的製備技術

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種寬溫域自潤滑塗層的製備技術。

【背景技術】
[0002] 隨著航空、航天、艦船、戰車等高新軍民技術產業中所涉及的各類發動機，不斷向 高推重比、高流量比的快速發展，以及現代高技術裝備的運行工況越來越苛刻、條件越來越 複雜和不斷提升的高精度、高可靠性和長壽命等方面的要求，對突破原有塗層材料綜合性 能極限的高性能寬溫域自潤滑塗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 溫域範圍內具有優異摩擦磨損性能的自潤滑塗層技術，該塗層不但能在更高溫度條件下， 尤其是在800°C~1000°C範圍內具有優異的自潤滑性能，而且還要具有優異的環境適應性 及穩定性。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，於上個世紀九十年代利用大氣等離子噴塗技 術，成功製備出PS304高溫自潤滑塗層，該塗層可以實現室溫飛50°C的連續潤滑。為了改 善塗層在高溫條件下，塗層的相關熱力學性能和其高溫穩定性，該研究中心又於2009年報 道了其最新研製的PS400塗層，該塗層採用鎳鑰鋁（NiMoAl)替代鎳鉻作為塗層的粘結相， 以此來提高塗層在高溫條件下的穩定性。但是上述兩種塗層為代表的PS系列寬溫域自潤 滑塗層都存在一個不足，即這些塗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系列的塗層已經很難滿足現代高溫潤滑部件的要求，如絕熱發 動機機械軸承襯墊的工作溫度範圍在600°C?1000°C，所以迫切需要研製可實現從室溫到 1000°C範圍內，均具有良好潤滑性能的寬溫域自潤滑塗層。


【發明內容】

[0003] 本發明的目的在於提供一種寬溫域固體自潤滑塗層的製備技術，由該技術製備的 塗層可實現從室溫到l〇〇〇°C的連續潤滑。
[0004] 本發明的目的可通過如下措施來實現： 本發明利用大氣等離子噴塗技術製備，噴塗粉末通過高溫焰流後，形成熔融或半熔融 態液滴，瞬間沉積在高溫合金鋼基材上，通過數遍的沉積過程，最終形成塗層。
[0005] -種寬溫域自潤滑塗層的製備技術，採用大氣等離子噴塗工藝製備，其特徵在於 該技術塗層的噴塗過程是用大氣等離子噴塗設備完成，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；將上述四種粉末置於機械混料機中混合後製得噴塗粉末；使噴塗粉末的流動性達到 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製備的噴塗粉末裝入大氣等離子噴塗設備的送粉器中，再將經過步驟B 處理後的高溫合金鋼固定在噴塗臺上，設定噴塗工藝參數後，用大氣等離子噴塗工藝製備 NiCrAlY-Cr2O3-Ag-CaF2ZiBaF2 寬溫域自潤滑塗層。
[0006] 在步驟A中，噴塗粉末中NiCrAlY粉末佔60?80wt%，Cr2O3粉末佔l(T20wt%，Ag粉 佔5?10wt%，CaF2/BaF2共晶粉末佔5?10wt%。
[0007] 在步驟A中，NiCrAlY粉末為不規則形狀，粒徑為3(Tl00Mm，NiCrAlY粉末中Ni含 量為67%，Cr含量為22%，Al含量為10%，其餘為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製備而成，其組成為BaF2 佔68wt%，CaF2佔32wt%，製得的CaF2/BaF2共晶粉末呈規則的球形，粉末粒徑為2(Tl5〇Mm。
[0011] 在步驟C中，噴塗前，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，再進行塗層噴塗。
[0012] 在步驟C中，利用大氣等離子噴塗設備，將製備的噴塗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寬溫域自潤滑塗層。其具體的噴塗 參數為：噴塗電壓為40(T600V，噴塗電流為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，噴塗距離為8?10cm，噴塗 角度70?90°。
[0013] 本發明採用大氣等離子噴塗技術，製備寬溫域自潤滑塗層，噴塗粉末中的NiCrAlY 合金為塗層的粘結相，Cr2O3為塗層的增強相，Ag為塗層的中低溫潤滑相，CaF2/BaF2共晶 為塗層的高溫潤滑相。本發明中，採用具有優異抗高溫性能的NiCrAlY粉末作為塗層的 粘結相，大幅度地提高了所製備塗層的高溫服役溫度，實現了塗層在更寬溫域範圍內具有 自潤滑特性；同時，所製備的寬溫域自潤滑塗層是一種單層結構塗層，塗層的厚度控制在 0. 2mnTlmm之間；塗層的結合強度在20~35MPa之間。將製備的塗層與Si3N4配副後進行摩 擦試驗，摩擦副在20°C、200°C、400°C、600°C，800°C和1000°C的平均摩擦係數在0· 23、· 44 之間，塗層的磨損率在2. 0XKr5mm3/NnTl0. 0Xl(T5mm3/Nm之間。塗層與高溫合金鋼配副 後進行摩擦試驗，摩擦副在201：、2001：、4001：、6001：和8001：的平均摩擦係數在0.3~0.45 之間，塗層的磨損率在I.OXl(T5mm3/NnT4. 5Xl(T5mm3/Nm之間。塗層與Cu4Al配副後進行 摩擦試驗，摩擦副在20°C的平均摩擦係數在0. 15~0. 2之間，在650°C時的平均摩擦係數在 0.2~0. 25之間。對於上述技術方案的運用，本發明具有的優點：本發明採用具有優異抗高 溫性能的NiCrAlY合金作為寬溫域自潤滑塗層的粘結相，與美國NASA研製的PS系列塗層 相比，本發明製備的塗層大幅度提高了塗層的服役溫度，塗層實現了從室溫~l〇〇〇°C的寬溫 域範圍內工作。
[0014] 本發明製備的寬溫域自潤滑塗層，在室溫~10001：的寬溫域範圍內，具有較低的摩 擦係數和磨損率，不僅可以為箔片空氣軸承等傳統的潤滑部件提供潤滑，還可以推廣到在 KKKTC環境下運行的現代工業機械中，以改善零部件間的摩擦與磨損。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為製備的該寬溫域自潤滑塗層的XRD衍射譜圖。
[0016] 圖2為塗層在KKKTC摩擦實驗後的光學照片，塗層磨痕表面光滑平整，且經高溫 摩擦實驗後，塗層沒有發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塗層的製備方法，具體步驟如下： A:分別稱取：NiCrAlY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於機械混料機中混合後，得到所需的噴塗粉末，該噴塗 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製備的噴塗粉末裝入送粉器中，再將經過步驟B處理後的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時進行塗層噴 塗。大氣等離子噴塗的具體工藝參數為：噴塗電流450A，噴塗電壓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，噴塗距離10cm，噴塗角度90°。
[0020] 用千分尺測量步驟C製備塗層的厚度為400Mm;塗層的結合強度為28MPa。利用 球盤高溫摩擦磨損實驗機表徵塗層在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據，可以看出塗層在20°C到 l〇〇〇°C的溫度範圍內都具有較好的潤滑性能。
[0021] 表INiCrAlY-Cr2O3-Ag-CaF2ZiBaF2塗層和Si3N4配副的摩擦磨損性能 實施例2 :

【權利要求】
1. 一種寬溫域自潤滑塗層的製備技術，採用大氣等離子噴塗工藝製備，其特徵在於該 技術塗層的噴塗過程是用大氣等離子噴塗設備完成，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；將上述四種粉末置於機械混料機中混合後製得噴塗粉末；使噴塗粉末的流動性達到 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製備的噴塗粉末裝入大氣等離子噴塗設備的送粉器中，再將經過步驟B 處理後的高溫合金鋼固定在噴塗臺上，設定噴塗工藝參數後，用大氣等離子噴塗工藝製備 NiCrAlY-Cr203-Ag-CaF2/BaF2 寬溫域自潤滑塗層。
2. 如權利要求1所述的製備技術，其特徵在於，在步驟A中，噴塗粉末中NiCrAlY粉末 佔 60?80wt%，Cr203 粉末佔 l(T20wt%，Ag 粉佔 5?10wt%，CaF2/BaF2 共晶粉末佔 5?10wt%。
3. 如權利要求1所述的製備技術，其特徵在於，在步驟A中，NiCrAlY粉末為不規則形 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%，其餘為 Y。
4. 如權利要求1所述的製備技術，其特徵在於，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所述的製備技術，其特徵在於，在步驟A中，Ag粉為球形，粒徑為 80?120Mm。
6. 如權利要求1所述的製備技術，其特徵在於，在步驟A中，CaF2/BaF2共晶粉末是通過 等離子球化技術製備而成，其組成為BaF 2佔68wt%，CaF2佔32wt%，製得的CaF2/BaF2共晶粉 末呈規則的球形，粉末粒徑為2(Tl5〇Mm。
7. 如權利要求1所述的製備技術，其特徵在於，在步驟C中，噴塗前，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，再進行塗層噴塗。
8. 如權利要求1所述的製備技術，其特徵在於，在步驟C中，利用大氣等離子噴塗設備， 將製備的噴塗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寬溫域自潤滑塗層。
9. 其具體的噴塗參數為：噴塗電壓為40(T600V，噴塗電流為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，噴塗距 離為8~10cm，噴塗角度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 優先權日:2013年7月2日
【發明者】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