一種固體自潤滑抗磨損熱障塗層的製備方法與流程

2023-10-05 11:45:24 5

本發明屬於特種材料表面改性技術領域，涉及一種固體自潤滑抗磨損熱障塗層的製備方法。

背景技術：

隨著科技水平的進步，人類探索世界的範圍也在不斷的擴大，對於在惡劣環境下工作的特種部件的需求量也在逐步增加。特別是在航空航天、燃機發電、冶金化工等領域，對於保護極端環境下工作部件的課題也在不斷深入，熱障塗層材料（Amanda R, Hector F, et al .Calcia magnesia alumino silicate induced degradation and failure of air plasma sprayed yttria stabilized zirconia thermal barrier coatings.Acta Materialia 105,2016, 355-366）的研究與改進就是這一領域的重中之重。

普通熱障塗層僅僅為工件披上一層抗高溫的保護層，並未在部件間的相互摩擦作用中發揮保護作用。為了提高了特種材料在極端工作環境下的工作性能，提高其工作效率和工作壽命，降低特種材料部件正常運行所需能耗，降低特種材料的維護保養成本，必須在熱障抗高溫的基礎上降低部件間的工作磨損。

目前二硫化鉬被稱為固體潤滑材料之王(Junhai W, Yang L,et al. Comparative Study on the Tribological Performances of Barium Perrhenate , Molybdenum Disulfide , and Calcium Carbonate as Lubricant Additives in a Wide Temperature Range. Tribology Transactions 2016, VOL. 59, NO. 1,139-148)，但是在空氣中,當溫度超過 400℃時，二硫化鉬產生明顯的氧化，並生成三氧化鉬，這在一定程度上影響了二硫化鉬潤滑性及對金屬表面的粘附作用。稀土金屬如鑭、鈰等的化合物，是一種優選的低摩擦係數的固體自潤滑材料。連亞峰等考察了二氧化鈰對 Ni60高溫火焰噴塗塗層耐磨性的影響及其作用機制，發現在鎳基噴塗層中加入二氧化鈰可以提高噴塗層的顯微硬度和耐磨性，在摩擦過程中二氧化鈰可促進磨損表面上氧化物的生成，減輕粘著磨損。添加適量的稀土元素可以明顯地提高噴焊合金層的耐磨性和承載能力，能夠細化噴焊合金層的組織，析出稀土金屬化合物沉澱相，從而強化基體。

採用機械球磨—離心噴霧乾燥造粒—熱燒結處理得到的粉體松裝密度高、流動性強、粒徑範圍均勻可控，火焰噴塗的各項用粉指標優良(H. Chen, G.A. Jackson ,et al. Modelling and experimental study on β-phase depletion behaviour of HVOF sprayed free-standing CoNiCrAlY coatings during oxidation. Surface & Coatings Technology 291 ,2016, 34-42)。採用金屬粘結層，熱障陶瓷層，自潤滑工作層三層複合結構，使塗覆後的鐵基部件自潤滑性良好，熱障性能穩定，抗磨損能力提高。在保護特種部件研究領域開闢了一項新思路。

技術實現要素：

本發明提供了一種固體自潤滑抗磨損熱障塗層的製備方法。製得的固體自潤滑抗磨損熱障塗層依次由金屬粘結層、熱障陶瓷層、自潤滑工作層三部分構成，在鐵基部件表面賦予了固體潤滑功能和熱障功能。

一種固體自潤滑抗磨損熱障塗層的製備方法，具體通過以下步驟及工藝條件實現：

（1）鐵基部件預處理：鐵基部件的表面噴砂和超聲清洗，乾燥；

（2）噴塗粉末預處理：將配製好的噴塗粉末進行機械球磨、離心噴霧乾燥造粒、熱燒結處理，所述噴塗粉末依次包括金屬粘結層粉末、熱障陶瓷層粉末、自潤滑工作層粉末；

（3）超音速火焰噴塗：設定噴塗程序，根據噴塗工藝進行噴塗固體自潤滑抗磨損熱障塗層，製得的固體自潤滑抗磨損熱障塗層由鐵基部件表面至外依次包括金屬粘結層、熱障陶瓷層、自潤滑工作層。

進一步地， 步驟（1）中，所述表面噴砂是採用粒徑20~25目剛玉砂（Al2O3），將噴砂機氣源調節為0.5~0.9MPa，噴砂機功率調節為2.7~4.2kW，噴砂槍口與鐵基部件表面角度保持在45~90度，距離保持在10~15cm。

進一步地，步驟（1）中，所述超聲清洗是將表面噴砂後的鐵基部件依次在丙酮、酒精、去離子水中超聲5~15min。

進一步地，步驟（1）中，所述乾燥是在40~60℃烘箱中乾燥30~60min。

進一步地，步驟（2）中，所述金屬粘結層粉末按元素質量百分比組成為Ni 17~21%，Cr 11~17%，Al 8~12.5%，Y 0.2~1.2%，以及餘量Co；所述熱障陶瓷層粉末按質量百分比組成為Y2O3 7~12%，MgO 5~10%，以及餘量ZrO2；所述自潤滑工作層粉末的組成為混合的稀土元素三氟化物，所述稀土元素包括La和Ce。

進一步地，步驟（2）中，所述機械球磨是將金屬粘結層粉末、熱障陶瓷層粉末、自潤滑工作層粉末用球磨機分別採用1:4~6:1、4:1~6:1、5:1~8:1的球料比球磨6~10h。

進一步地，步驟（2）中，將球磨後的金屬粘結層粉末、熱障陶瓷層粉末、自潤滑工作層粉末用聚乙烯醇作為粘結劑，用乙醇和聚乙二醇作為溶劑分別配製漿料；其中聚乙烯醇佔漿料質量分數為5~10%，乙醇和聚乙二醇按1:2~1:4質量比佔漿料質量分數為35~50%，餘量為配製漿料的球磨後的粉末。

進一步地，步驟（2）中，離心噴霧乾燥造粒過程中，送料速度採用20~30 g/min，霧化盤轉速採用11000~14000 r/min，離心噴霧乾燥溫度設定為250~290℃。

進一步地，步驟（2）中，所述熱燒結處理利用氮氣保護氛圍，金屬粘結層粉末採用800~900℃燒結，熱障陶瓷層粉末採用1100~1200℃燒結，自潤滑工作層粉末採用900~1000℃燒結，燒結時間均為2~4h。

進一步地，步驟（3）中，噴塗前先關閉送粉系統，用噴塗火焰對鐵基部件預熱1~3min，然後依次在鐵基部件表面塗覆三種功能性粉末。

進一步地，步驟（3）中，噴塗工藝為：噴塗距離100~200mm，噴塗角度70~90度，噴槍移動速度270~300mm/s，火焰溫度2000~3000℃，燃氣煤油壓力0.8~2MPa流量10~20L/min，助燃氣體壓力25~40MPa流量300~500L/min，送粉速度23~27g/min，所述助燃氣體為氧氣。

進一步地，步驟（3）中，得到塗層平均厚度93~108μm，塗層孔隙率5%-13%；所述金屬粘結層厚度為24~27μm，所述熱障陶瓷層為42~51μm，所述自潤滑工作層為27~30μm。

與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：

（1）本發明噴塗用粉經過機械球磨、離心噴霧乾燥造粒、熱燒結三步處理後，松裝密度高、流動性強、粒徑範圍均勻可控，火焰噴塗的各項用粉指標優良；

（2）本發明塗層由金屬粘結層、熱障陶瓷層、自潤滑工作層三部分構成，在熱障性能基礎上，塗層利用稀土材料提高了高溫條件下工作的轉動部件的自潤滑性，抗磨損性。

附圖說明

圖1為本發明鐵基部件表面經過超音速火焰噴塗後結構示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例對一種固體自潤滑抗磨損熱障塗層的製備方法進行進一步說明，但實施方法並不僅限於此。

圖1為本發明鐵基部件表面經過超音速火焰噴塗後的結構示意圖，由圖1知，噴塗製得的固體自潤滑抗磨損熱障塗層由鐵基部件表面至外依次包括金屬粘結層、熱障陶瓷層、自潤滑工作層。

實施例1

（1）鐵基部件預處理：

鐵基部件表面噴砂處理，採用粒徑20目剛玉砂（Al2O3），將噴砂機氣源調節為0.5MPa，噴砂機功率調節為2.7kW，噴砂槍口與鐵基部件表面角度保持在45度、距離保持在10cm進行噴砂；採用丙酮、酒精、去離子水對噴砂後鐵基部件分別超聲5min，在40℃烘箱中乾燥30min；

（2）噴塗粉末預處理：

三層塗層用粉的元素組成為（質量百分比）：金屬粘結層17%Ni，11%Cr，8%Al，0.2%Y，以及餘量的Co；熱障陶瓷層7%Y2O3，5%MgO，以及餘量的ZrO2；自潤滑工作層為32.5wt%的三氟化鑭和67.5wt%的三氟化鈰混合物；

對三種粉末分別機械球磨：金屬粘結層、熱障陶瓷層、自潤滑工作層粉末用球磨機分別採用4:1、4:1、5:1的球料比球磨6h；

對三種粉末分別離心噴霧乾燥造粒：首先製備漿料，用聚乙烯醇作為粘結劑，用乙醇和聚乙二醇作為溶劑分別配製漿料；其中聚乙烯醇佔漿料質量分數為5%，乙醇和聚乙二醇按1:2質量比佔漿料質量分數為35%，球磨後的粉末佔漿料質量分數為60%；離心噴霧乾燥造粒過程中，送料速度採用20 g/min，霧化盤轉速採用11000 r/min，離心噴霧乾燥溫度設定為250℃；

對三種粉末分別熱燒結處理：利用氮氣保護氛圍，金屬粘結層粉末採用800℃燒結，熱障陶瓷層粉末採用1100℃燒結，自潤滑工作層粉末採用900℃燒結，燒結時間均為2h；

本發明中採用的機械球磨、離心噴霧乾燥造粒、熱燒結三步處理方法，得到的噴塗粉末：松裝密度高，松裝密度平均值穩定在9.1g/cm3；粉末在掃描電鏡下觀察呈規整球形，流動性強；粒徑平均值穩定在20μm可控。

（3）超音速火焰噴塗：

首先設定噴塗程序；噴塗前先關閉送粉系統，用噴塗火焰對鐵基部件預熱1min，然後依次在鐵基部件表面塗覆三種功能性粉末；噴塗工藝：噴塗距離100mm，噴塗角度70度，噴槍移動速度300mm/s，火焰溫度2000℃，燃氣煤油壓力0.8MPa流量10L/min，助燃氣體氧氣壓力25MPa流量300L/min，送粉速度23g/min，得到塗層平均厚度93μm，塗層孔隙率9%，在鐵基部件表面得到固體自潤滑抗磨損熱障塗層；其中所述金屬粘結層厚度為24μm，所述熱障陶瓷層為42μm，所述自潤滑工作層為27μm。

採用本發明製得的塗層塗覆在鐵基部件表面，通過測試轉動接觸面間摩擦係數為0.05，相對未處理部件摩擦係數下降30%；相對於未處理的鐵基部件32%的高磨損率，樣品在連續1000小時下高溫運轉，磨損率僅為4%。

實施例2

（1）鐵基部件預處理：

鐵基部件表面噴砂處理，採用粒徑23目剛玉砂（Al2O3），將噴砂機氣源調節為0.7MPa，噴砂機功率調節為3.1kW，噴砂槍口與鐵基部件表面角度保持在60度、距離保持在12cm進行噴砂；採用丙酮、酒精、去離子水對噴砂後鐵基部件分別超聲10min，在50℃烘箱中乾燥40min；

（2）噴塗粉末預處理：

三層塗層用粉的元素組成為（質量百分比）：金屬粘結層19%Ni，13%Cr，10%Al，1%Y，以及餘量的Co；熱障陶瓷層9%Y2O3，7%MgO，以及餘量的ZrO2；自潤滑工作層為43.2wt%的三氟化鑭和56.8wt%的三氟化鈰混合物；

對三種粉末分別機械球磨：金屬粘結層、熱障陶瓷層、自潤滑工作層粉末用球磨機分別採用5:1、5:1、6:1的球料比球磨8h；

對三種粉末分別離心噴霧乾燥造粒：首先製備漿料，用聚乙烯醇作為粘結劑，用乙醇和聚乙二醇作為溶劑分別配製漿料；其中聚乙烯醇佔漿料質量分數為7%，乙醇和聚乙二醇按1:3質量比佔漿料質量分數為43%，球磨後的粉末為50%；離心噴霧乾燥造粒過程中，送料速度採用25g/min，霧化盤轉速採用12500 r/min，離心噴霧乾燥溫度設定為270℃；

對三種粉末分別熱燒結處理：利用氮氣保護氛圍，金屬粘結層粉末採用840℃燒結，熱障陶瓷層粉末採用1170℃燒結，自潤滑工作層粉末採用940℃燒結，燒結時間為3h；

本發明中採用的機械球磨、離心噴霧乾燥造粒、熱燒結三步處理方法，得到的噴塗粉末：松裝密度高，松裝密度平均值穩定在9.2g/cm3；粉末在掃描電鏡下觀察呈規整球形，流動性強；粒徑平均值穩定在20μm可控。

（3）超音速火焰噴塗：

首先設定噴塗程序；噴塗前先關閉送粉系統，用噴塗火焰對鐵基部件預熱2min，然後依次在鐵基部件表面塗覆三種功能性粉末；噴塗工藝：噴塗距離150mm，噴塗角度80度，噴槍移動速度290mm/s，火焰溫度2400℃，燃氣煤油壓力1.8MPa流量16L/min，助燃氣體氧氣壓力32MPa流量390L/min，送粉速度23g/min，得到塗層平均厚度100μm，塗層孔隙率5%，在鐵基部件表面得到固體自潤滑抗磨損熱障塗層；其中金屬粘結層厚度為25μm，所述熱障陶瓷層為47μm，所述自潤滑工作層為28μm。

採用本發明製得的塗層塗覆在鐵基部件表面，通過測試轉動接觸面間摩擦係數為0.06，相對未處理部件摩擦係數下降28%；相對於未處理的鐵基部件32%的高磨損率，樣品在連續1000小時下高溫運轉，磨損率僅為4%。

實施例3

（1）鐵基部件預處理：

鐵基部件表面噴砂處理，採用粒徑25目剛玉砂（Al2O3），將噴砂機氣源調節為0.9MPa，噴砂機功率調節為4.2kW，噴砂槍口與鐵基部件表面角度保持在90度、距離保持在15cm進行噴砂；採用丙酮、酒精、去離子水對噴砂後鐵基部件分別超聲15min，在60℃烘箱中乾燥60min；

（2）噴塗粉末預處理：

三層塗層用粉的元素組成為（質量百分比）：金屬粘結層21%Ni，17%Cr，12.5%Al，1.2%Y，以及餘量的Co；熱障陶瓷層12%Y2O3，10%MgO，以及餘量的ZrO2；自潤滑工作層為28.6wt%的三氟化鑭和71.4wt%的三氟化鈰混合物；

對三種粉末分別機械球磨：金屬粘結層、熱障陶瓷層、自潤滑工作層粉末用球磨機分別採用6:1、6:1、8:1的球料比球磨10h；

對三種粉末分別離心噴霧乾燥造粒：首先製備漿料，用聚乙烯醇作為粘結劑，用乙醇和聚乙二醇作為溶劑分別配製漿料；其中聚乙烯醇佔漿料質量分數為10%，乙醇和聚乙二醇按1:4質量比佔漿料質量分數為50%，球磨後的粉末佔漿料質量分數為40%；離心噴霧乾燥造粒過程中，送料速度採用30g/min，霧化盤轉速採用14000 r/min，離心噴霧乾燥溫度設定為290℃；

對三種粉末分別熱燒結處理：利用氮氣保護氛圍，金屬粘結層粉末採用900℃燒結，熱障陶瓷層粉末採用1200℃燒結，自潤滑工作層粉末採用1000℃燒結，燒結時間為4h；

本發明中採用的機械球磨、離心噴霧乾燥造粒、熱燒結三步處理方法，得到的噴塗粉末：松裝密度高，松裝密度平均值穩定在9.4g/cm3；粉末在掃描電鏡下觀察呈規整球形，流動性強；粒徑平均值穩定在20μm可控。

（3）超音速火焰噴塗：

首先設定噴塗程序；噴塗前先關閉送粉系統，用噴塗火焰對鐵基部件預熱3min，然後依次在鐵基部件表面塗覆三種功能性粉末；噴塗工藝：噴塗距離200mm，噴塗角度90度，噴槍移動速度270mm/s，火焰溫度3000℃，燃氣煤油壓力2MPa流量20L/min，助燃氣體氧氣壓力40MPa流量500L/min，送粉速度27g/min，得到塗層平均厚度108μm，塗層孔隙率13%，在鐵基部件表面得到固體自潤滑抗磨損熱障塗層；其中所述金屬粘結層厚度為27μm，所述熱障陶瓷層為51μm，所述自潤滑工作層為30μm。

採用本發明製得的塗層塗覆在鐵基部件表面，通過測試轉動接觸面間摩擦係數為0.04，相對未處理部件摩擦係數下降33%；相對於未處理的鐵基部件32%的高磨損率，樣品在連續1000小時下高溫運轉，磨損率僅為4%。