CN101735680B - 一种用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了属于刷式密封结构中转子跑道用涂层及其制备技术领域的一种用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层及其制备方法。该涂层中各组分及其重量百分比如下：Ag：10～20％，Co：9～11％，C：3.8～6％，余量为W。以WC-12Co粉末和Ag粉为原料，将上述原料采用喷雾造粒工艺制成复合粉末，筛分出粒度为15～45μm的复合粉末，采用超音速火焰喷涂将其喷涂在刷式密封跑道表面上，则在刷式密封跑道上制备出耐磨自润滑涂层，其中，所用原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的10～20％。该涂层具有适度的显微硬度，良好的结合强度，在室温到600℃范围内具有良好的耐磨减摩性能。

Description

一种用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于刷式密封结构中转子跑道用涂层及其制备技术领域，特别涉及一种用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层及其制备方法。
背景技术
随着航空航天、空间技术的发展，以及许多苛刻工况条件已超越了润滑油或脂的使用极限，传统的软金属和其它固体润滑微粉作为减磨覆盖层，强度低，耐磨性差，也不能满足性能的综合要求。在这种情况下，固体自润滑复合材料应运而生。这种复合材料可根据工况要求方便地设计成份组成，一方面具有较高的强度和硬度，能够提高接触摩擦副的耐磨性；另一方面又具有自润滑的效果，在摩擦副之间形成固体润滑转移膜，减小摩擦副的摩擦系数和稳定摩擦功耗，实现无油或少油条件下自润滑的目的。因此具有优异综合性能的复合材料引起了润滑领域的广泛关注并迅速发展起来。
热喷涂技术能在材料表面快速制备合成非平衡新材料，制备出耐磨减摩合金层，涂层与基材共同构成耐磨减摩的新型材料，在现代化工业中不断显示强大的经济效益，引起学术界和工业界的重视。主要开发出的有火焰喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂和***喷涂等技术。其中超音速火焰喷涂技术应用较广泛，其原因在于超音速火焰喷涂流速高，气氛可控，可获得高质量的涂层。在超音速火焰喷涂制备的耐磨涂层中常添加的耐磨组分为NiCr-CrC、WC/Co、CrO、NiCr/Co、Al2O3/TiO2和Al2O3等涂层。
固体润滑的方式大致可分为三大类：固体粉末、固体润滑涂层和整体润滑材料。许多情况下固体粉末和整体材料已很难满足要求，而有自润滑性能的涂层显示出其优越性。自润滑涂层可以在保证基体材料本身具有优异机械性能的基础上具有自润滑、耐磨损等特殊性能，而且利用涂层润滑可大大节约原材料和生产时间。应用于自润滑涂层领域的固体润滑剂的种类很多：有层状结构的石墨，MoS2，BN等；有质地较软的金属，如Ag，Pb，In等；有金属氧化物、氟化物、磷酸盐等。一般来说，在大气中作用时，具有层状晶体结构的固体润滑剂一般在低温时有效；对于氟化物和金属氧化物则是在高温下软化而具有润滑性。天然石墨是一种单质型层状固体润滑剂，从室温到它的氧化温度550℃之前，其摩擦系数随温度上升而下降。人工合成石墨的使用温度范围低于天然石墨，最高温度到为480℃。PbO在常温下摩擦系数比较大，但在400℃以上显示出比MoS2还要好的润滑性。研究表明PbO在480-850℃范围内能够显示良好的润滑性，但由于国际对含铅材料的限制，PbO固体润滑剂在涂层中的应用也受到了限制。CaF2，BaF2，LiF，NaF在强氧化和还原气氛中很稳定，熔点一般都在815℃以上，在高温下软化而具有润滑性，在实际应用中证明CaF2是金属和陶瓷在1000℃的高温中有效的固体润滑剂。银本身具有良好的减摩性能和导电性能，其熔点为960.5℃，从室温到600℃的范围内能够表现出优良的自润滑性能。银的特性使其在航空航天领域具有广泛的用武之地。
作为篦齿密封的替代技术，刷式密封技术已经在许多先进的工业用燃气轮机、航空发动机和汽轮机中得到了应用，如Siemens Westinghouse的501E燃气轮机、空中客车A320发动机等。作为应用于刷式密封结构中，转子跑道表面上的耐磨自润滑涂层的性能直接影响发动机和汽轮机的整体使用性能。因此，目前在工业用燃气轮机、航空发动机及汽轮机等领域，急需一种高性能的刷式密封跑道涂层，以提高发动机或汽轮机的使用性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层及其制备方法。
一种用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层，其特征在于，该涂层中各组分及其重量百分比如下：Ag：10～20％，Co：9～11％，C：3.8～6％，余量为W。
一种用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层的制备方法，其特征在于，以WC-12Co粉末和Ag粉为原料，将上述原料采用喷雾造粒工艺制成复合粉末，筛选出粒度为15～45μm的复合粉末，采用超音速火焰喷涂将其喷涂在刷式密封跑道表面上，则在刷式密封跑道上制备出耐磨自润滑涂层，其中，所用原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的10～20％。当所用原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的18％时，所得耐磨自润滑涂层耐磨自润滑涂层效果最佳。
本发明所用的WC-12Co粉末和Ag粉末均为市场上成熟的粉末产品。
本发明的有益效果为：在本发明中，采用超音速火焰喷涂制备的涂层中，WC作为硬质相均匀地分布于涂层中，提高了涂层的耐磨性能，WC周围被Co包围，使涂层具有较好的抗冲击和耐磨性能，Ag作为润滑相均匀的分布于涂层之中，有效地降低了涂层的摩擦系数。总之，该涂层具有良好的耐磨减摩和冲击性能，对喷雾造粒后的复合粉末进行筛分处理，使其适合应用于超音速火焰喷涂设备。采用该种工艺和材料，只需投入较少的资金便能明显的提高篦齿密封跑道的表面性能，从而提高发动机整体的使用性能和使用寿命。
本发明提供的可用于工业用燃气轮机、航空发动机及汽轮机等领域刷式密封跑道表面的强化处理的耐磨自润滑涂层，具有很好的耐磨减摩性能和良好的结合性能。采用超音速火焰喷涂制备的该涂层具有良好的结合强度，在室温到600℃范围内具有良好的耐磨减摩性能。该涂层的出现可以解决工业用燃气轮机、航空发动机及汽轮机等领域采用的刷式密封结构中跑道服役寿命短的问题，从而提高设备的使用性能。
附图说明
图1为实施例3的热喷涂复合粉末微观形貌；
图2为实施例3制备的涂层表面微观形貌。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
在刷式密封跑道上制备耐磨自润滑涂层，方法如下：以WC-12Co粉末和Ag粉为原料，所用原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的10％，将上述原料采用喷雾造粒工艺制成复合粉末，筛选出粒度为15～45μm的复合粉末，采用超音速火焰喷涂将其喷涂在刷式密封跑道表面上，则在刷式密封跑道上制备出耐磨自润滑涂层。
上述方法制备的用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层中，各组分及其重量百分比如下：Ag：9.8％，Co：10.8％，C：4.5％，W：74.9％。
本实施例制备的耐磨自润滑涂层与基体的结合强度大于60MPa，显微硬度的平均值HV0.3为847，600℃时测得涂层的摩擦系数为0.7。
实施例2
在刷式密封跑道上制备耐磨自润滑涂层，方法如下：以WC-12Co粉末和Ag粉为原料，所用原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的15％，将上述原料采用喷雾造粒工艺制成复合粉末，筛选出粒度为15～45μm的复合粉末，采用超音速火焰喷涂将其喷涂在刷式密封跑道表面上，则在刷式密封跑道上制备出耐磨自润滑涂层。
上述方法制备的用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层中，各组分及其重量百分比如下：Ag：15.3％，Co：10.2％，C：4.2％，W：70.3％。
本实施例制备的耐磨自润滑涂层与基体的结合强度大于60MPa，显微硬度平均值HV0.3为802，600℃时测得涂层的摩擦系数为0.65。
实施例3
在刷式密封跑道上制备耐磨自润滑涂层，方法如下：以WC-12Co粉末和Ag粉为原料，所用原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的18％，将上述原料采用喷雾造粒工艺制成复合粉末，筛选出粒度为15～45μm的复合粉末，采用超音速火焰喷涂将其喷涂在刷式密封跑道表面上，则在刷式密封跑道上制备出耐磨自润滑涂层。
上述方法制备的用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层中，各组分及其重量百分比如下：Ag：17.9％，Co：9.8％，C：4.1％，W：68.2％。
本实施例的热喷涂复合粉末微观形貌如图1所示，从图中可以看出，粉末微观形貌为球形，表明粉体具有良好的流动性。另外，每个颗粒是由大量的一次颗粒构成的二次颗粒，二次颗粒本身存在大量的孔隙，有利于颗粒充分熔融，提高粉体的沉积效率。制备的涂层表面微观形貌如图2所示，从图中可以看出，Ag元素均匀地分布于整个涂层之间，能够起到润滑作用。
本实施例制备的耐磨自润滑涂层与基体的结合强度大于60MPa，显微硬度平均值HV0.3为765，600℃时测得涂层的摩擦系数为0.63。根据刷式密封跑道对表面涂层性能的设计要求，该涂层的性能最为接近，故原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的18％时的复合粉末制备的耐磨自润滑涂层是最佳的刷式密封跑道用的涂层。
实施例4
在刷式密封跑道上制备耐磨自润滑涂层，方法如下：以WC-12Co粉末和Ag粉为原料，所用原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的20％，将上述原料采用喷雾造粒工艺制成复合粉末，筛选出粒度为15～45μm的复合粉末，采用超音速火焰喷涂将其喷涂在刷式密封跑道表面上，则在刷式密封跑道上制备出耐磨自润滑涂层。
上述方法制备的用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层中，各组分及其重量百分比如下：Ag：19.8％，Co：9.6％，C：4％，W：66.6％。
本实施例制备的耐磨自润滑涂层与基体的结合强度大于60MPa，显微硬度的平均值HV0.3为689，600℃时测得涂层的摩擦系数为0.60。

Claims (1)

1.一种用于刷式密封跑道的耐磨自润滑涂层的制备方法，其特征在于，以WC-12Co粉末和Ag粉为原料，将上述原料采用喷雾造粒工艺制成复合粉末，筛选出粒度为15～45μm的复合粉末，采用超音速火焰喷涂将其喷涂在刷式密封跑道表面上，则在刷式密封跑道上制备出耐磨自润滑涂层；
所述原料中Ag粉重量占WC-12Co粉末和Ag粉总重量的18％。
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