一种高性能高温固体自润滑涂层及其制备方法

摘要

本发明涉及固体润滑领域，具体为一种高性能高温固体自润滑涂层及其制备方法，解决低温(-55℃)到高温(800℃)下运转机械(如箔片空气轴承)中零部件的磨损问题。该高温固体自润滑复合涂层采用的复合粉末由NiCr、Cr2O3、Ag和共熔物BaF2/CaF2组成，其中NiCr为粘合剂，Cr2O3为耐磨相，Ag为低温润滑剂，共熔物BaF2/CaF2为高温润滑剂。其中NiCr粉末、Ag粉末、共熔物BaF2/CaF2粉末均采用超声气体雾化技术制备，复合粉末采用机械混合方法制备。高温固体自润滑涂层采用大气等离子喷涂技术制备。本发明高温固体自润滑涂层可以避免或降低高温高速运转机械中零部件的磨损(如箔片空气轴承中箔片和轴的磨损)，拓宽了运转机械的工作温度和速度，具有重要的工业应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及固体润滑领域，具体为一种高性能高温固体自润滑涂层及其制备方法。

背景技术

箔片空气轴承(FAB)是目前先进无油透平技术的核心结构，它在正常运转过程中以周围空气作为润滑剂，与静压气体轴承相比，不需要额外的供气系统，使系统得以简化；与传统油润滑系统相比，去除了油润滑系统，机器重量大幅度减小，还有降低摩擦功耗、对工作介质和环境无污染等优点，同时打破了工作温度和速度的限制，从而性能得以大幅度地提高。美国宇航局(NASA)认为“这一技术的使用可使发动机重量减轻15％，成本减少20％，维护费用减少50％，功率提高20％”。但是，在启动和停车过程中，箔片和轴间不足以形成工作气膜，二者间产生滑动接触，引起严重磨损，箔片空气轴承无法稳定运行。传统的固体润滑剂，如石墨、MoS₂、PTFE等使用温度高于300℃时会因氧化严重而失去润滑作用，不能满足箔片空气轴承高温应用的要求。因此，提供一种新型高温固体自润滑涂层，来避免或降低箔片空气轴承中箔片和轴的磨损，以保证箔片空气轴承在高温高速环境下稳定运行，具有重要的工业应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能优良的高温固体自润滑粉末、涂层及其制备方法，来解决低温(-55℃)到高温(800℃)下运转机械(如箔片空气轴承)中零部件的磨损问题。

本发明的技术方案如下：

一种高性能高温固体自润滑涂层，该高温固体自润滑复合涂层为复合粉末采用大气等离子喷涂而成，所述的复合粉末由NiCr合金粉末、Cr₂O₃粉末、Ag粉末和共熔物BaF₂/CaF₂粉末组成，其中NiCr合金粉末为粘合剂，Cr₂O₃粉末为耐磨相，Ag粉末为低温润滑剂，共熔物BaF₂/CaF₂粉末为高温润滑剂。高温固体自润滑复合粉末中，各组分质量分数如表1所示。

表1  高温固体自润滑复合粉末中各组分含量

  组分  NiCr合金粉末 Cr₂O₃粉末  Ag粉末  共熔物BaF₂/CaF₂粉末  质量分数(％)  45-70 10-30  5-20  5-20

其中，NiCr合金粉末中Ni占60％-90％，其余为Cr(质量分数)，NiCr合金粉末是采用超声气体雾化技术制备。Ag粉末是采用超声气体雾化技术制备。

共熔物BaF₂/CaF₂粉末形貌是影响高温固体自润滑复合粉末流动性与均匀性的主要因素。为解决采用多角形共熔物BaF₂/CaF₂粉末时复合粉末流动性差而引起的复合涂层组织均匀性差、涂层性能低的问题，该高温固体自润滑复合粉末中，共熔物BaF₂/CaF₂粉末是采用超声气体雾化技术制备而成，其成分为BaF₂占60％-70％，其余为CaF₂(质量分数)。制得的共熔物BaF₂/CaF₂粉末呈规则的球形，雾化工艺参数为：雾化压力3-10MPa，雾化温度1300-1450℃，真空度5-12Pa，熔体流量2-5kg/min。

NiCr合金粉末是采用超声气体雾化技术制备而成，雾化工艺参数为：雾化压力3-9MPa，雾化温度1450-1580℃，真空度5-15Pa，熔体流量3-7kg/min。

Ag粉末是采用超声气体雾化技术制备而成，雾化工艺参数为：雾化压力4-9MPa，雾化温度1050-1180℃，真空度5-10Pa，熔体流量3-6kg/min。

按复合粉末中各组元的质量分数，将NiCr合金粉末、Cr₂O₃粉末、Ag粉末和共熔物BaF₂/CaF₂粉末经机械混料混合6-15h，制得高温固体自润滑复合粉末；复合粉末的流动性为25-30s/50g，松装密度为3.2-3.7g/cm³。

该高温固体自润滑涂层采用大气等离子喷涂技术制备，其制备工艺如表2所示。

表2  高温固体自润滑涂层制备工艺

本发明中，所获得高性能高温固体自润滑涂层是单层涂层结构，自润滑涂层的厚度范围为0.10-0.70mm，自润滑涂层的结合强度范围为28-40MPa，与Cu基合金配副自润滑涂层从室温到650℃的摩擦系数范围为0.10-0.50，自润滑涂层从室温到650℃的磨损率范围为0.45-3.60×10^-4mm³/N·m。

本发明的有益效果是：

1、本发明高温固体自润滑涂层可以提高箔片空气轴承稳定运行的温度，满足箔片空气轴承高温应用的要求。

2、本发明高温固体自润滑涂层可以避免或降低箔片空气轴承中箔片和轴的磨损，以保证箔片空气轴承在800℃、100000r/min高温高速环境下稳定运行，具有重要的工业应用价值。

3、本发明高温固体自润滑涂层可以推广应用到其他高温高速环境下的运转机械中，以降低零部件间的摩擦与磨损。

4、本发明高温固体自润滑涂层的制备可启发更多高温固体润滑复合涂层的研制，促进固体润滑领域的发展。

附图说明

图1为实施例1超声气体雾化制备的BaF₂/CaF₂粉末SEM形貌。

图2为实施例1制备的高温固体自润滑复合粉末SEM形貌。

图3为实施例1制备的高温固体自润滑复合涂层SEM形貌。

图4为实施例1制备的高温固体自润滑复合涂层成分分析结果。其中，a)图为图3的灰色部分；b)图为图3的黑色部分；c)图为图3的白色部分；d)图为图3的深灰色部分。

图5为实施例1制备的高温固体自润滑复合涂层相分析结果。

图6为实施例2超声气体雾化制备的BaF₂/CaF₂粉末SEM形貌。

图7为实施例2制备的高温固体自润滑复合粉末SEM形貌。

图8为实施例2制备的高温固体自润滑复合涂层SEM形貌。

图9为实施例2制备的高温固体自润滑复合涂层成分分析结果。其中，a)图为图8的灰色部分；b)图为图8的黑色部分；c)图为图8的白色部分；d)图为图8的深灰色部分。

图10为实施例2制备的高温固体自润滑复合涂层相分析结果。

具体实施方式：

本发明高性能高温固体自润滑涂层的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按拟定BaF₂/CaF₂成分配料并混合均匀，真空感应熔炼NiCr合金锭。

步骤2：采用超声气体雾化法制备共熔物BaF₂/CaF₂粉末、NiCr粉末、Ag粉末。

步骤3：采用扫描电镜对步骤2制备的BaF₂/CaF₂粉末进行组织形貌观察。

步骤4：按拟定的复合粉末中各组元的质量分数和粒度，将NiCr、Cr₂O₃、Ag和共熔物BaF₂/CaF₂粉末机械混合6-15h，制得高温固体自润滑复合粉末。

步骤5：采用带有能谱分析仪的扫描电镜对步骤4制备的复合粉末进行组织形貌观察和成分分析。

步骤6：将步骤4制备的复合粉末进行流动性和松装密度测试。

步骤7：采用步骤4制备的复合粉末，利用大气等离子喷涂技术制备高温固体自润滑涂层。

步骤8：采用带有能谱分析仪的扫描电镜对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行组织形貌观察和成分分析。

步骤9：采用X射线衍射仪对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行相分析。

步骤10：采用拉伸试验机对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行结合强度测试。

步骤11：采用高温销盘摩擦磨损试验机对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行摩擦磨损性能测试。

实施例1：

本实施例高性能高温固体自润滑涂层的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按BaF₂/CaF₂成分68％BaF₂、32％CaF₂配料并混合均匀；真空感应熔炼NiCr合金锭，其中Ni占80％，其余为Cr(质量分数)。

步骤2：采用超声气体雾化法制备共熔物BaF₂/CaF₂粉末、NiCr粉末、Ag粉末。共熔物BaF₂/CaF₂雾化工艺参数为：雾化压力5MPa，雾化温度1350℃，真空度5Pa，熔体流量3kg/min。NiCr粉末的雾化工艺参数为：雾化压力5MPa，雾化温度1510℃，真空度10Pa，熔体流量5kg/min。Ag粉末的雾化工艺参数是雾化压力4MPa，雾化温度1120℃，真空度8Pa，熔体流量5kg/min。

步骤3：采用扫描电镜对步骤2制备的BaF₂/CaF₂粉末进行组织形貌观察，结果如附图1所示，从图中可以看出制备的BaF₂/CaF₂粉末成规则的球形。

步骤4：按照表3中各组元的质量分数和粒度，将NiCr、Cr₂O₃、Ag和共熔物BaF₂/CaF₂粉末机械混合10h，制得高温固体自润滑复合粉末。

表3  高温固体自润滑复合粉末中各组元含量及粒度

  组元名称  NiCr  Cr₂O₃  Ag  共熔物BaF₂/CaF₂  含量(wt％)  60  20  10  10  粒度(μm)  45-100  30-45  45-125  63-154

步骤5：采用带有能谱分析仪的扫描电镜对步骤4制备的复合粉末进行组织形貌观察和成分分析，结果如附图2所示，从图中可以看出制备的复合粉末中各组元分布较均匀。

步骤6：将步骤4制备的复合粉末进行流动性和松装密度测试，复合粉末的流动性为25.5s/50g，松装密度为3.64g/cm³。

步骤7：采用步骤4制备的复合粉末，利用常规大气等离子喷涂技术制备高温固体自润滑涂层，制备工艺如表4所示。自润滑涂层的厚度为0.35-0.40mm。

表4  高温固体自润滑涂层制备工艺参数

步骤8：采用带有能谱分析仪的扫描电镜对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行组织形貌观察和成分分析，结果如附图3、附图4所示，从图中可以看出制备的高温固体自润滑涂层呈典型层状结构，其中灰色部分含有Ni、Cr元素，黑色部分含有Cr、O元素，白色部分含有Ag元素，深灰色部分含有Ba、Ca、F元素。

步骤9：采用X射线衍射仪对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行相分析，结果如附图5所示，从图中可以看出制备的高温固体自润滑涂层由Ni(Cr)、Cr₂O₃、Ag和(Ba，Ca)F₂构成。

步骤10：采用拉伸试验机对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行结合强度测试，涂层结合强度达到30.4MPa。

步骤11：采用高温销盘式摩擦磨损实验机对步骤7制备的高温固体自润滑涂层与Cu-4Al间的摩擦磨损性能进行测试，结果如表5所示。

表5  高温固体自润滑涂层与Cu-4Al间的摩擦磨损性能

实施例2：

本实施例高性能高温固体自润滑涂层的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按BaF₂/CaF₂成分62％BaF₂、38％CaF₂配料并混合均匀；真空感应熔炼NiCr合金锭，其中Ni占75％(质量分数)，其余为Cr。

步骤2：采用超声气体雾化法制备共熔物BaF₂/CaF₂粉末、NiCr粉末、Ag粉末。共熔物BaF₂/CaF₂雾化工艺参数为：雾化压力10MPa，雾化温度1400℃，真空度5Pa，熔体流量4kg/min。NiCr粉末的雾化工艺参数为：雾化压力7MPa，雾化温度1550℃，真空度8Pa，熔体流量6kg/min。Ag粉末的雾化工艺参数是雾化压力5MPa，雾化温度1150℃，真空度7Pa，熔体流量4kg/min。

步骤3：采用扫描电镜对步骤2制备的BaF₂/CaF₂粉末进行组织形貌观察，结果如附图6所示，从图中可以看出制备的BaF₂/CaF₂粉末成规则的球形。

步骤4：按照表6中各组元的质量分数和粒度，将NiCr、Cr₂O₃、Ag和共熔物BaF₂/CaF₂粉末机械混合12h，制得高温固体自润滑复合粉末。

表6  高温固体自润滑复合粉末中各组元含量及粒度

  组元名称  NiCr  Cr₂O₃  Ag  共熔物BaF₂/CaF₂  含量(wt％)  60  20  10  10  粒度(μm)  75-125  45-75  63-125  45-100

步骤5：采用带有能谱分析仪的扫描电镜对步骤4制备的复合粉末进行组织形貌观察和成分分析，结果如附图7所示，从图中可以看出制备的复合粉末中各组元分布较均匀。

步骤6：将步骤4制备的复合粉末进行流动性和松装密度测试，复合粉末的流动性为26.3s/50g，松装密度为3.60g/cm³。

步骤7：采用步骤4制备的复合粉末，利用常规大气等离子喷涂技术制备高温固体自润滑涂层，制备工艺如表7所示。自润滑涂层的厚度为0.40-0.45mm。

表7  高温固体自润滑涂层制备工艺参数

步骤8：采用带有能谱分析仪的扫描电镜对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行组织形貌观察和成分分析，结果如附图8、附图9所示，从图中可以看出制备的高温固体自润滑涂层呈典型层状结构，其中灰色部分含有Ni、Cr元素，黑色部分含有Cr、O元素，白色部分含有Ag元素，深灰色部分含有Ba、Ca、F元素。

步骤9：采用X射线衍射仪对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行相分析，结果如附图10所示，从图中可以看出制备的高温固体自润滑涂层由Ni(Cr)、Cr₂O₃、Ag和(Ba，Ca)F₂构成。

步骤10：采用拉伸试验机对步骤7制备的高温固体自润滑涂层进行结合强度测试，涂层结合强度达到32.4MPa。

步骤11：采用高温销盘式摩擦磨损实验机对步骤7制备的高温固体自润滑涂层与Cu-4Al间的摩擦磨损性能进行测试，结果如表8所示。

表8  高温固体自润滑涂层与Cu-4Al间的摩擦磨损性能