一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于耐高温涂层制备领域，特别涉及一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层及其制备方法。该涂层在金属基体表面采用超音速火焰喷涂有镍铬铝钇硅NiCrAlYSi作用粘结底层、超音速火焰喷涂镍铬/碳化铬+含氟化物镍铬/碳化铬共晶体NiCr/Cr3C2+NiCr/Cr3C2BaF2·

【技术实现步骤摘要】
一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于耐高温涂层制备领域，特别涉及一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]航空发动机刷式封严是一种接触式密封装置，由刷丝与对偶跑道组成过盈配合，允许转子在有一定的偏差的状态下工作，因此具有更高的密封性能。航空发动机中空气或燃气压力高，温度高，超高转速(可高达30000转/分)，摩擦生热量大等，而燃气轮机中还需要兼具长寿命的需求，因此对刷丝及跑道的性能要求很高。跑道表面一般喷涂耐磨涂层以抵抗刷丝的磨损并提升跑道的使用寿命。但是由于发动机使用环境苛刻，跑道上的耐磨涂层会出现裂纹、龟裂和剥落，而刷丝在对磨后也会出现变形、烧伤等现象，极大地破坏了刷式密封系统的封严性，所以封严效果势必受较大影响。因此需要开发适合于刷式密封使用的高结合强度、高致密度并与刷丝有良好磨损性能的耐磨自润滑涂层体系及其制备工艺。
[0003]为满足800℃以下的温度使用需求，通常采用镍铬/碳化铬(NiCr/Cr3C2)耐磨涂层。尽管该碳化物涂层增强了封严盘跑道表面的耐磨性能，但该涂层在航空发动机高密封压力、高环境温度、高界面滑速的工况环境下，其与刷丝的摩擦性能及与基体的抗热冲击性能不足，单层镍铬/碳化铬涂层与金属基体由于热膨胀不匹配产生残余热应力而开裂和剥落。已有研究结果表明，多层涂层体系能够减少涂层间的热应力，从而提升涂层热循环性能。另外，氟化钙、氟化钡、银等材料具有低剪切阻力，是良好的固体润滑剂。

技术实现思路

[0004]单层碳化物涂层热冲击性能比较低，其原因是在碳化物材料热膨胀系数较低，增加了陶瓷层与金属基体的热膨胀不匹配性，在发动机冷热交变环境下，导致涂层内产生较大残余热应力，加上刷丝的高速摩擦，使涂层的抗剥落能力受到不利影响，为了提高耐磨自润滑涂层的抗热冲击寿命，本专利技术专利公开一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层及其制备方法，其金属粘结底层，以获得优异的耐磨自润滑涂层结合强度及抗热冲击性能，在镍铬/碳化铬(NiCr/Cr3C2)粉体材料添加氟化钙、氟化钡、银等固体润滑剂，形成镍铬/碳化铬+含氟化物镍铬/碳化铬共晶体(NiCr/Cr3C2+NiCr/Cr3C2BaF2·
CaF2)涂层材料以及含氟化钙、氟化钡共晶体及银的镍铬/碳化铬(NiCr/Cr3C2‑
BaF2·
CaF2+Ag)涂层材料，实现了耐磨自润滑涂层的成分过渡，并通过降低耐磨涂层的摩擦系数，为摩擦副提供良好的润滑高温特性，显著提升跑道耐磨涂层与刷丝的摩擦性能。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，所述涂层以喷涂有镍铬铝钇硅NiCrAlYSi的金属基体作用粘结底层、以镍铬/碳化铬+含氟化物镍铬/碳化铬共晶体NiCr/Cr3C2+NiCr/Cr3C2BaF2·
CaF2作为中间层、以含氟化钙、氟化钡共晶体及银的镍铬/碳化铬NiCr/Cr3C2‑
BaF2·
CaF2+Ag作为面层。
[0007]进一步的，上述的一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，所述粘结底层的NiCrAlYSi合金粉末，用细粒度喷涂粉末，以提升粘结底层的抗氧化和腐蚀性能，同时与金属基体合金及碳化物涂层具有良好的润湿性，增强涂层与基体及涂层间的结合强度，粉末粒径范围为20μm～45μm，各元素的质量百分比为，Cr:15％～25％、Al:5％～15％、Y:0.05％～2.0％、Si:0.1％～3.0％。
[0008]进一步的，上述的一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，中间层NiCr/Cr3C2+NiCr/Cr3C2BaF2·
CaF2粉末中NiCr是高温粘结相，提供涂层必需力学、抗氧化和腐蚀性能，减少喷涂过程中核心颗粒的氧化及烧蚀；Cr3C2是硬质耐磨相，显著增强涂层的强度和抗磨损性能；BaF2·
CaF2共晶体是高温固体润滑相，用于降低涂层及刷丝的摩擦磨损，与面层实现良好的成分过渡，降低层间的热应力，提升涂层的结合强度，粉末粒径范围为45μm～53μm，NiCr/Cr3C2与NiCr/Cr3C2BaF2·
CaF2粉体含量占比为1:1，各组成相的质量百分比为Cr3C2占65％～80％，NiCr占20％～30％，CaF2、BaF2占1％～5％。
[0009]进一步的，上述的一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，面层材料以BaF2·
CaF2共晶体、Ag、Cr3C2为核，NiCr合金包覆层为壳，粉末粒径范围为：20μm～53μm，各成分粉末颗粒密度相同，导热系数、导温系数、比热容等热物理参数相同，各组成相的质量百分比为Cr3C2占58％～68％，NiCr占22％～30％，CaF2、BaF2占1％～10％，Ag占1％～10％。
[0010]进一步的，上述的一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，所述粘结底层的厚度为80μm～120μm，中间层和面层的厚度分别为100μm～120μm。
[0011]一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1)喷涂前处理；
[0013]步骤2)超音速火焰喷涂粘结底层：
[0014]使用以氧气和煤油作为燃料的JP5000超音速火焰喷涂设备，喷涂距离为330～370mm、送粉速率为40～60g/min、氧气压强为200～240psi、流量为1600～1850SCFH，煤油压强和流量分别为210～240psi和5.5～6.5GPH；
[0015]步骤3)超音速火焰喷涂中间层和面层：
[0016]使用以氧气和煤油作为燃料的JP5000超音速火焰喷涂设备，喷涂距离为350～400mm、送粉速率为40g～50g/min、氧气压强200～240psi、流量为1600～1800SCFH，煤油压强和流量分别为210～240psi和5.0～5.5GPH。
[0017]本专利技术的优点及有益效果：
[0018]1、本专利技术在金属基体表面超音速喷涂镍铬铝钇硅(NiCrAlYSi)作为金属粘结底层，提高涂层体系抗氧化性能；超音速火焰喷涂镍铬/碳化铬+含氟化物镍铬/碳化铬共晶体(NiCr/Cr3C2+NiCr/Cr3C2 BaF2
·
CaF2)作为中间层，以提升与基体的匹配性并提升涂层热循环性能；最后超音速火焰喷涂含氟化物+银的镍铬/碳化铬(NiCr/Cr3C2
‑
BaF2
·
CaF2+Ag)涂层，以提高涂层体系的润滑性能，保证该涂层体系既有良好的摩擦磨损性能，又有令人满意的涂层热循环性能；
[0019]2、本专利技术的双陶瓷层耐磨自润滑涂层的结合强度在50MPa以上，高于现有耐磨自润滑涂层的结合强度；硬度在硬度HV0.3650以上，耐磨性能良好；在700℃抗热冲击次数大于100次，具有优异的抗热冲击性能，800℃时摩擦系数为0.26，摩擦学性能显著提升。
[0020]3、本专利技术的双陶瓷层耐磨自润滑涂层，采用粘结底层+双层碳化物陶瓷层结构体
系，整体提升涂层与基体、涂层间的匹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述涂层以喷涂有镍铬铝钇硅NiCrAlYSi的金属基体作用粘结底层、以镍铬/碳化铬+含氟化物镍铬/碳化铬共晶体NiCr/Cr3C2+NiCr/Cr3C2BaF2·
CaF2作为中间层、以含氟化钙、氟化钡共晶体及银的镍铬/碳化铬NiCr/Cr3C2‑
BaF2·
CaF2+Ag作为面层。2.根据权利要求1所述的一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述粘结底层的NiCrAlYSi合金粉末，粉末粒径范围为20μm～45μm，各元素的质量百分比为，Cr:15％～25％、Al:5％～15％、Y:0.05％～2.0％、Si:0.1％～3.0％。3.根据权利要求1所述的一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，其特征在于，中间层NiCr/Cr3C2+NiCr/Cr3C2BaF2·
CaF2粉末粒径范围为45μm～53μm，NiCr/Cr3C2与NiCr/Cr3C2BaF2·
CaF2粉体含量占比为1:1，各组成相的质量百分比为Cr3C2占65％～80％，NiCr占20％～30％，CaF2、BaF2占1％～5％。4.根据权利要求1所述的一种双陶瓷层耐磨自润滑涂层，其特征在于，面层材料以BaF2·
CaF2共...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳平，宋佳，黄传兵，李浩宇，袁福河，
申请(专利权)人：中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：