CN115233137B - 低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料、制备方法及应用 - Google Patents

低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料、制备方法及应用，该涂层包括以下质量分数的原料：Co粉5‑20wt％、Mo2C粉末0.5‑8wt％、VC粉末0.3‑1.0wt％、Cr3C2粉末0.1‑5wt％和固体润滑相1‑5wt％，余量为WC粉末；固体润滑相为Ni包覆石墨颗粒和/或Ni包覆MoS2颗粒。本发明在WC‑Co基涂层中引入石墨和MoS2颗粒等固体润滑相，通过石墨和MoS2颗粒表面化学镀Ni处理，在不降低涂层硬度、结合力和致密性等的情况下，显著降低涂层摩擦系数，从而提高涂层耐磨性。

Description

低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于超音速火焰喷涂材料技术领域，具体涉及到低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料及其制备方法。
背景技术
超音速火焰喷涂是在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。它是将喷涂粉末送入经氧气(空气)和煤油、丙烷、乙炔等燃料按比例混合燃烧的高温高速火焰中，加热至熔融或半熔融状态并通过压缩-膨胀喷嘴高速喷射到基体表面，从而获得高结合强度、高硬度、耐磨耐腐蚀、致密的高质量的涂层。超音速火焰喷涂具有粒子飞行速度快、沉积速度快、结合强度大、致密度高等优点，并且其高冷却速度能有效限制元素偏析，抑制金属间化合物的形核和长大，有利于固溶体的形成。因此，超音速火焰喷涂非常适合于制备合金或合金碳化物系列金属陶瓷耐磨涂层涂层，在近年来得到快速发展并得到了广泛的应用。
现有技术一公开了一种高致密性准纳米结构WC-Co涂层及制备方法，内容涉及纳米WC-Co复合粉末与Cr3C2和VC粉末混合进行球磨、混合、造粒、热处理、过筛、超音速火焰喷涂等工艺。现有技术二公开了一种具有多尺度WC晶粒的WC-Co金属陶瓷涂层及制备方法，通过WC晶粒的部分纳米化获得一种具有高硬度、高韧性的超音速火焰喷涂耐磨WC-Co涂层。现有技术三公开一种具有纳米陶瓷涂层的耐磨螺杆，涉及一种超音速火焰喷涂的具有纳米结构WC-Co陶瓷涂层，所制备的涂层具有高硬度、高结合强度和高致密性。现有技术四公开一种低空隙率的WC-Co涂层的制备方法，通过加入Al元素抑制WC在超音速喷涂喷涂过程中的脱碳行为，从而降低涂层的孔隙率，增加硬度和断裂韧性，增加涂层的耐磨性。可以看出目前的相关超音速火焰喷涂材料专利主要是通过WC晶粒的部分纳米化和成分或工艺的优化等，来改善超音速火焰喷涂WC-Co涂层的硬度、韧性和致密性等，从而提高涂层材料的耐磨性，但是并未涉及涂层在摩擦磨损条件下，摩擦界面润滑条件的改善问题。
同时，目前超音速火焰喷涂的WC-Co基硬质涂层主要制备工艺是将WC、Co等成分粉末按比例混合，将混合粉料制成悬浮浆料后经雾化制粉、烧结，然后进行超音速火焰喷涂。传统WC-Co基硬质涂层追求的是高硬度与高致密性，通过增加涂层硬度来提高其耐磨性，因而在基体成分设计过程中未添加改善摩擦条件的润滑相。虽然通过涂层成分和工艺优化使得涂层具有较高硬度，但是由于涂层中大量硬质陶瓷相的存在，使涂层摩擦系数较高。因此，在涂层干摩擦过程中对摩擦副表面造成严重擦伤和拉伤，特别是在重载摩擦和高温氧化环境下，由于摩擦界面的润滑条件不足，对摩擦副的伤害显著加剧。
发明内容
本发明的目的是提供一种低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料及其制备方法，在传统超音速火焰喷涂的WC-Co基硬质涂层中，引入通过化学镀Ni包覆的石墨和MoS2颗粒，作为固体摩擦润滑相，在保证超音速火焰涂层高硬度、高致密性、高结合力的条件下，明显改善喷涂WC-Co涂层摩擦副的润滑条件，以达到显著减低涂层的摩察系数，从而提高涂层耐磨性目的。
为达上述目的，本发明提供了一种低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料，包括以下质量分数的原料：Co粉5-20wt％、Mo2C粉末0.5-8wt％、VC粉末0.3-1.0wt％、Cr3C2粉末0.1-5wt％和固体润滑相1-5wt％，余量为WC粉末；固体润滑相为Ni包覆石墨颗粒和/或Ni包覆MoS2颗粒。
本发明制备的低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的摩擦系数低于0.48，磨损率低于6.5×10-8mm3/m。
进一步地，Co粉、Mo2C粉末、VC粉末、Cr3C2粉末和WC粉末的粒径均为1-2.5μm。
本发明还提供了一种上述低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)化学镀镍制备固体润滑相
将石墨颗粒或MoS2颗粒依次经去油、粗化、活化和化学镀镍，制得固体润滑相，化学镀镍的介质为20-40g/L的NiSO4·6H2O、15-30g/L的NaH2PO2·H2O、20-30g/L的Na3C5H5O7·2H2O、10-20g/L的CH3COONa·3H2O、20-25mL/L的乳酸、15-20mL/L的醋酸和0.05-0.08g/L的硫脲，介质的pH值为4.5-6.0，化学镀镍的温度控制为50-75℃，时间为60-120min；
(2)混料造粒
将原料球磨后制成混合粉末；
将聚乙烯醇与去离子水加热搅拌后，制备成浓胶，将浓胶稀释后制备成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液与混合粉末混合球磨，制得悬浮液；
将悬浮液喷雾造粒，制得球型粉体；
(3)粉体热处理
将球形粉体烘干、梯度升温烧结后冷却，制得混合粉末；
(4)喷涂
采用超音速火焰喷涂技术将混合粉末喷涂于预处理后的基体表面，即可制得低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料。
进一步地，浓胶的制备包括以下步骤：将聚乙烯醇粉体与去离子水按照质量比1:4-8混合后，水浴加热至65-85℃，搅拌12-24h，制得浓胶。
进一步地，悬浮液的制备包括以下步骤：于浓胶中加入去离子水，使聚乙烯醇与去离子水的质量比为1:1.35-1.55，稀释后与混合粉末按照质量比为3-5:1进行混合球磨，控制球料比为5-10:1，球磨时间为12-24h，转速为120-180r/min，制得悬浮液。
进一步地，喷雾造粒的参数为：进口温度为200-380℃，出口温度为100-200℃，送料速度为30-50r/min，雾化盘转速为12000-18000r/min，干燥气氛为氮气，压力为0.5-1.5Mpa。
进一步地，超音速火焰喷涂技术的基体预热温度为80-120℃，助燃剂压缩空气压力为0.5-0.85MPa，流动速率为750-1200SL/min，燃料为丙烷或煤油，燃料压力为0.55-0.85MPa，燃料流动速率为10～20SL/h，燃烧室燃烧压力为0.6～1.0MPa，送粉率为60-100g/min，喷枪移动速度为400-900mm/min，喷涂距离为200-500mm，冷却介质为压缩空气，流动速率2-5SL/min。
本发明还提供了一种上述低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的应用，包括用于650℃以下的大气环境中或用于450℃以下的真空环境中。
优选的，固体润滑相为Ni包覆石墨颗粒，低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料用于650℃以下的大气环境中。
优选的，固体润滑相为Ni包覆MoS2颗粒，低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料用于450℃以下的真空环境中。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明提供了一种低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料，在WC-Co基涂层中引入石墨和MoS2颗粒等固体润滑相，通过石墨和MoS2颗粒表面化学镀Ni处理，在不降低涂层硬度、结合力和致密性等的情况下，显著降低涂层摩擦系数，从而提高涂层耐磨性。
2、本发明通过化学镀的方法在石墨和MoS2颗粒表面镀覆Ni，制备出Ni均匀包覆的石墨和MoS2的芯/壳状颗粒，Ni包覆壳层与石墨芯和MoS2芯结合力良好，并且厚度均匀。在石墨和Mo2S等固体润滑颗粒表面通过化学镀的方法涂覆金属Ni的工艺，相较于物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀等工艺等，涂覆的Ni包覆层具有厚度均匀可控，结合效果好，工艺简单并易于操作，无需采用复杂、昂贵的设备(如真空镀膜机，各型电源设备等)，并且涂覆后颗粒分散性良好。
附图说明
图1为本发明的制备流程示意图。
具体实施方式
现有技术中，常采用的高温润滑相Ni包覆BN(氮化硼)，化学镀层中会形成有害的Ni3P和Ni3B相，对涂层材料润滑性能和耐磨性能产生害的物质。另一方面，WS2被作为中低温固体润滑相，但是在球化制备复合粉末和超音速火焰喷涂过程中，W的引入，会改变材料中W-Co-C三元体系平衡，造成材料脱C，形成脆性性η相(W3Co3C等)，降低涂层材料的耐磨性。基于以上原因，本发明采用Ni包覆石墨和Ni包覆MoS2做为固体润滑相。
本发明中，含Ni包覆石墨芯-壳结构的超音速喷涂涂层材料，主要用于大气环境中，可适用650℃以下的温度，含Ni包覆MoS2芯-壳结构的超音速喷涂涂层材料主要适用于在真空环境中，在450℃以下润滑效果良好。
由于Ni包覆层的存在，显著改善了粉末烧结和喷涂过程中金属Co相对石墨和MoS2颗粒的润湿性，因此不会因石墨和MoS2颗粒的引入而降低涂层致密性。将Ni包覆石墨和MoS2的芯/壳状颗粒，与WC、Co、VC和Cr3C2粉末均匀混合，并通过雾化制粉工艺，制备出成分均匀、球形度高、粒径分布均匀的球形粉末。混合粉末中由于VC和Cr3C2粉末的加入可以有效抑制在球形粉末热处理和喷涂过程中WC晶粒的长大，补偿因润滑相加入导致的涂层硬度降低，从而提高涂层的硬度和强度，并且Cr3C2的加入可以提高涂层的耐腐蚀性。涂层中Mo2C粉末加入可以提高涂层的强韧性，改善结合力，以及改善涂层在高温氧化摩擦环境下的润滑条件，从而提高涂层的耐磨性。
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供了一种低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料(Ni包覆石墨)的制备方法，包括以下步骤：
(1)化学镀
去油，将平均粒度为1.0μm的石墨颗粒，依次在8wt％NaOH溶液中超声处理30min，在丙酮中超声处理10min，然后用去离子水清洗洗至中性；
粗化，将石墨在8wt％稀硝酸溶液中超声处理20min后，在15wt％硝酸银溶液中煮沸20min，然后用去离子水清洗至中性；
活化，将石墨在含0.2g/L PdCl2和10mL/L HCl的溶液(以水为溶剂，下列实施例均采用水为溶剂)中于搅拌5min，然后用去离子水清洗至中性；
化学镀镍，将活化处理后石墨进行化学镀，化学镀介质(以水为溶剂，下列实施例相同)为30g/L NiSO4·6H2O，30g/L NaH2PO2·H2O，20g/LNa3C5H5O7·2H2O，20g/L CH3COONa·3H2O，20mL/L乳酸，20mL/L醋酸，0.08g/L硫脲，溶液pH值为4.5-5.0，温度控制为75℃，超声波搅拌，施镀时间为90min；
镀覆结束后用无水乙醇清洗石墨，置于真空干燥箱中，在真空条件下加热至80℃，保温2h，真空度为0.5Pa。
(2)球磨混料
制备的Ni包覆石墨颗粒3wt％，Co粉(2.0μm)10wt％，Mo2C粉末(2.0μm)5wt％，VC粉末(2.0μm)0.6wt％，Cr3C2粉末(2.0μm)2wt％，WC粉末(2.0μm)为余量，将粉末原料进行混合。采用行星球磨机对混合料进行球磨混料，球料比8:1，转速200r/min，球磨时间为6h。
(3)喷雾造粒
将聚乙烯醇(PVA)粉体与去离子水按照质量比1:8混合后，采用水浴加热至85℃，搅拌12h，制备浓胶；
在制备的浓胶中再加入去离子水进一步稀释PVA，其中PVA与去离子水质量比为1:50，保证PVA完全溶于水中；
将混合粉末与PVA溶液按照质量比1:5混合，加入行星球磨罐，球料比控制为5:1，球磨时间24h后，转速为120r/min，将浆料混合均匀，达到稳定状态，制备出稳定料将悬浮液；
采用喷雾干燥机进行喷雾造粒，控制进口速度350℃，出口温度150℃，送料速度30r/min，雾化盘转速为15000r/min，干燥气氛为氮气，压力为1.5MPa，得到球形粉体。
(4)粉体热处理
将混合粉末在真空干燥箱中烘干12h，温度100℃，真空度为0.5Pa，排出多余水分；
将真空干燥箱烘干后的粉末在真空烧结炉中松装烧结，5℃/min升温至150℃，保温1h，真空度为0.5Pa，以除去吸附气体和水分；
进一步以5℃/min的速度升温至550℃，保温3h，真空度为0.1Pa，以保证完全排除成型剂PVA；
再以5℃/min升温至设定烧结温度1320℃，保温烧结1.5h后，随炉降温，真空度为0.01Pa；
然后利用筛网进行震动筛分，得到粒径为20-55μm的混合粉末。
(5)喷涂
首先对喷涂基体表面进行除油和清洗处理，将基体材料在8wt％NaOH溶液中进行超声处理30min，在丙酮中超声清洗10min，烘干；
对喷涂基体表面进行喷砂处理，采用白刚玉砂，粒径为24-48目，喷砂压力为0.6MPa，喷砂距离为100mm，处理后的表面粗糙度为Ra5-10μm；
然后采用超音速火焰喷涂技术制备涂层，喷涂时将喷枪与试样保持垂直，基体预热温度80℃，助燃剂压缩空气，压力0.75MPa，流动速率950SL/min，燃料为丙烷，压力0.7MPa，燃料流动速率12SL/h，燃烧室燃烧压力为0.8MPa，送粉率80g/min，喷枪移动速度750mm/min，喷涂距离320mm。冷却介质为压缩空气，流动速率4SL/min。
通过本发明制备的涂层硬度为1200Hv，空隙率0.6％，结合强度90MPa，摩擦系数0.45。
实施例2
本实施例提供了一种低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料(Ni包覆MoS2)的制备方法，包括以下步骤：
(1)化学镀
去油，将平均粒度为2μm的MoS2颗粒，分别在8wt.％NaOH溶液中超声处理30min，在丙酮中超声处理10min，然后用去离子水清洗洗至中性；
粗化，将MoS2颗粒在8wt％稀硝酸溶液中超声处理20min后，在15wt％硝酸银溶液中煮沸20min，然后用去离子水清洗至中性；
活化，将MoS2颗粒在含0.2g/L PdCl2和10mL/L HCl的溶液中于搅拌5min，然后用去离子水清洗至中性；
化学镀镍，将活化处理后MoS2颗粒进行化学镀，化学镀介质为30g/LNiSO4·6H2O，30g/L NaH2PO2·H2O，20g/L Na3C5H5O7·2H2O，20g/LCH3COONa·3H2O，20mL/L乳酸，20mL/L醋酸，0.08g/L硫脲，溶液pH值为4.5-5.0，温度控制为75℃，超声波搅拌，施镀时间为90min；
镀覆结束后用无水乙醇清洗MoS2颗粒，置于真空干燥箱中，在真空条件下加热至80℃，保温2h，真空度为0.5Pa。
(2)球磨混料
制备的Ni包覆MoS2颗粒3wt％，Co粉(2.0μm)10wt％，Mo2C粉末(2.0μm)5wt％，VC粉末(2.0μm)0.5wt％，Cr3C2粉末(2.0μm)1.5wt％，WC粉末(2.0μm)为余量，将粉末原料进行混合。采用行星球磨机对混合料进行球磨混料，球料比8:1，转速200r/min，球磨时间为6h。
(3)喷雾造粒
将聚乙烯醇(PVA)粉体与去离子水按照质量比1:8混合后，采用水浴加热至85℃，搅拌12h，制备浓胶；
在制备的浓胶中再加入去离子水进一步稀释PVA，其中PVA与去离子水质量比为1:50，保证PVA完全溶于水中；
将混合粉末与PVA溶液按照质量比1:5混合，加入行星球磨罐，球料比控制为5:1，球磨时间24h后，转速为120r/min，将浆料混合均匀，达到稳定状态，制备出稳定料将悬浮液；
采用喷雾干燥机进行喷雾造粒，控制进口速度350℃，出口温度150℃，送料速度30r/min，雾化盘转速为15000r/min，干燥气氛为氮气，压力为1.5MPa，得到球形粉体。
(4)粉体热处理
将混合粉末在真空干燥箱中烘干12h，温度100℃，真空度为0.5Pa，排出多余水分；
将真空干燥箱烘干后的粉末在真空烧结炉中松装烧结，5℃/min升温至150℃，保温1h，真空度度为0.5Pa，以除去吸附气体和水分；
进一步以5℃/min的速度升温至550℃，保温3h，真空度为0.1Pa，以保证完全排除成型剂PVA；
再以5℃/min升温至设定烧结温度1320℃，保温烧结1.5h后，随炉降温，真空度为0.01Pa；
然后利用筛网进行震动筛分，得到粒径为20-55μm的混合粉末。
(5)喷涂
首先对喷涂基体表面进行除油和清洗处理，将基体材料在8wt％NaOH溶液中进行超声处理30min，在丙酮中超声清洗10min，烘干；
对喷涂基体表面进行喷砂处理，采用白刚玉砂，粒径为24-48目，喷砂压力为0.6MPa，喷砂距离为100mm，处理后的表面粗糙度为Ra5-10μm；
然后采用超音速火焰喷涂技术制备涂层，喷涂时将喷枪与试样保持垂直，基体预热温度80℃，助燃剂压缩空气，压力0.7MPa，流动速率900SL/min，燃料为丙烷，压力0.65MPa，燃料流动速率11SL/h，燃烧室燃烧压力为0.8MPa，送粉率90g/min，喷枪移动速度800mm/min，喷涂距离380mm。冷却介质为压缩空气，流动速率4SL/min。
通过本发明制备的涂层硬度为1250Hv，空隙率低于0.54％，结合强度92MPa，摩擦系数低于0.48。
实施例3
本实施例提供了一种低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料(Ni包覆MoS2/Ni包覆石墨)的制备方法，包括以下步骤：
(1)化学镀
去油，将平均粒度为1.0μm的石墨和2μm的MoS2颗粒，分别在8wt.％NaOH溶液中超声处理30min，在丙酮中超声处理10min，然后用去离子水清洗至中性；
粗化，将石墨和MoS2颗粒在8wt％稀硝酸溶液中超声处理20min后，在15wt.％硝酸银溶液中煮沸20min，然后用去离子水清洗至中性；
活化，将石墨和MoS2颗粒在含0.2g/L PdCl2和10mL/L HCl的溶液中于搅拌5min，然后用去离子水清洗至中性；
化学镀镍，将活化处理后石墨和MoS2颗粒进行化学镀，化学镀介质为30g/LNiSO4·6H2O，30g/L NaH2PO2·H2O，20g/L Na3C5H5O7·2H2O，20g/LCH3COONa·3H2O，20mL/L乳酸，20mL/L醋酸，0.08g/L硫脲，溶液pH值为4.5-5.0，温度控制为75℃，超声波搅拌，施镀时间为90min；
镀覆结束后用无水乙醇清洗石墨和MoS2颗粒，置于真空干燥箱中，在真空条件下加热至80℃，保温2h，真空度为0.5Pa。
(2)球磨混料
制备的Ni包覆石墨颗粒2.5wt％，Ni包覆MoS2颗粒2.5wt％，Co粉(2.0μm)10wt％，Mo2C粉末(2.0μm)5wt％，VC粉末(2.0μm)0.8wt％，Cr3C2粉末(2.0μm)2.5wt％，WC粉末(2.0μm)为余量，将粉末原料进行混合。采用行星球磨机对混合料进行球磨混料，球料比8:1，转速200r/min，球磨时间为6h。
(3)喷雾造粒
将聚乙烯醇(PVA)粉体与去离子水按照质量比1:8混合后，采用水浴加热至85℃，搅拌12h，制备浓胶；
在制备的浓胶中再加入去离子水进一步稀释PVA，其中PVA与去离子水质量比为1:50，保证PVA完全溶于水中；
将混合粉末与PVA溶液按照质量比1:5混合，加入行星球磨罐，球料比控制为5:1，球磨时间24h后，转速为120r/min，将浆料混合均匀，达到稳定状态，制备出稳定料将悬浮液；
采用喷雾干燥机进行喷雾造粒，控制进口速度350℃，出口温度150℃，送料速度30r/min，雾化盘转速为15000r/min，干燥气氛为氮气，压力为1.5MPa，得到球形粉体。
(4)粉体热处理
将混合粉末在真空干燥箱中烘干12h，温度100℃，真空度为0.5Pa，排出多余水分；
将真空干燥箱烘干后的粉末在真空烧结炉中松装烧结，5℃/min升温至150℃，保温1h，真空度度为0.5Pa，以除去吸附气体和水分；
进一步以5℃/min的速度升温至550℃，保温3h，真空度为0.1Pa，以保证完全排除成型剂PVA；
再以5℃/min升温至设定烧结温度1320℃，保温烧结1.5h后，随炉降温，真空度为0.01Pa；
然后利用筛网进行震动筛分，得到粒径为20-55μm的混合粉末。
(5)喷涂
首先对喷涂基体表面进行除油和清洗处理，将基体材料在8wt％NaOH溶液中进行超声处理30min，在丙酮中超声清洗10min，烘干；
对喷涂基体表面进行喷砂处理，采用白刚玉砂，粒径为24-48目，喷砂压力为0.6MPa，喷砂距离为100mm，处理后的表面粗糙度为Ra5-10μm；
然后采用超音速火焰喷涂技术制备涂层，喷涂时将喷枪与试样保持垂直，基体预热温度80℃，助燃剂压缩空气，压力0.8MPa，流动速率1000SL/min，燃料为丙烷，压力0.75MPa，燃料流动速率12SL/h，燃烧室燃烧压力为0.8MPa，送粉率80g/min，喷枪移动速度800mm/min，喷涂距离300mm。冷却介质为压缩空气，流动速率4SL/min。
通过本发明制备的涂层硬度为1150Hv，空隙率0.65％，结合强度85MPa，摩擦系数低于0.42。
试验例
1.硬度：采用HV-1000型维氏硬度计对热障涂层表面的显微硬度进行测试。硬度计压头为136°金刚石四棱锥压头，实验加载载荷为2.94N，加载时间为12s。每一涂层试样取10个有效的点，去除一个最大值和一个最小值，取剩余8个点的平均值作为涂层显微硬度值。
2.结合强度：通过胶结拉伸法测试喷涂涂层试样的结合强度，采用Instron公司的Intron5500R型电子万能试验机，加载速率为1mm/min。
3.孔隙率空隙：通过剥离涂层，采用阿基米德排水法在室温下对涂层材料真实密度进行测试。孔隙率计算公式为：
孔隙率＝[1-(真实密度/理论密度)]×100％。
4.摩擦系数和磨损率：通过HT1000型球-盘式摩擦磨损试验机测试，直径6mm的淬火高铬钢球作为对磨件，载荷为15N，转速实验转速设置为1000rpm，旋转半径为1mm，磨损时间30min。
本发明将Ni包覆石墨和MoS2颗粒引入并均匀分布于WC-Co基超音速火焰喷涂材料中，在不降低涂层硬度、致密性和结合力的情况下，使喷涂涂层材料对钢摩擦系数从0.65-0.75降低至0.4-0.48，磨损率从4.5×10-7mm3/m降低至6.5×10-8mm3/m，如表1所示。
表1不同润滑相的涂层物理参数检测结果
由表1可知，添加了Ni包覆BN和WS2的对比组。其中，由于BN颗粒的活化、电镀效果均不理想，造成镀Ni层结合力差、易脱落，并且镀层中会形成有害的Ni3P和Ni3B相，导致最终涂层材料的性能较差。而Ni包覆的WS2颗粒，球化制备复合粉末和超音速火焰喷涂过程中，W的引入，会改变材料中W-Co-C三元体系平衡，造成材料脱C，形成脆性η相(W3Co3C等)，降低涂层材料的耐磨性。因此，润滑相的引入显著改善了涂层干摩擦的润滑条件，显著提高了涂层耐磨性。但是由表1可以看出，还是要选择合适的润滑相，本发明不仅选择了合适的润滑相，同时辅以特殊的超音速火焰喷涂工艺，使通过本发明制备的涂层硬度为高于1100Hv，空隙率低于0.8％，结合强度高于80MPa，摩擦系数低于0.48。
虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料，其特征在于，包括以下质量分数的原料：Co粉5-20wt％、Mo2C粉末0.5-8wt％、VC粉末0.3-1.0wt％、Cr3C2粉末2-5wt％和固体润滑相1-5wt％，余量为WC粉末；所述固体润滑相为Ni包覆石墨颗粒和/或Ni包覆MoS2颗粒
所述石墨颗粒的平均粒径为1μm，所述MoS2颗粒的平均粒径为2μm；
所述Co粉、Mo2C粉末、VC粉末、Cr3C2粉末和WC粉末的粒径均为1-2.5μm；
所述低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的制备包括以下步骤:
(1)混料造粒
将原料球磨后制成混合粉末；
将聚乙烯醇与去离子水加热搅拌后，制备成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液与混合粉末混合球磨，制得悬浮液；
将悬浮液喷雾造粒，制得球型粉体；
(2)粉体热处理
将球形粉体烘干、梯度升温烧结后冷却，制得混合粉末；
(3)喷涂
采用超音速火焰喷涂技术将混合粉末喷涂于预处理后的基体表面，即可制得低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料。
2.如权利要求1所述的低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)化学镀镍制备固体润滑相
将石墨颗粒或MoS2颗粒依次经去油、粗化、活化和化学镀镍，制得固体润滑相，所述化学镀镍的介质为20-40g/L的NiSO4·6H2O、15-30g/L的NaH2PO2·H2O、20-30g/L的Na3C5H5O7·2H2O、10-20g/L的CH3COONa·3H2O、20-25mL/L的乳酸、15-20mL/L的醋酸和0.05-0.08g/L的硫脲，介质的pH值为4.5-6.0，化学镀镍的温度控制为50-75℃，时间为60-120min；
(2)混料造粒
将原料球磨后制成混合粉末；
将聚乙烯醇与去离子水加热搅拌后，制备成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液与混合粉末混合球磨，制得悬浮液；
将悬浮液喷雾造粒，制得球型粉体；
(3)粉体热处理
将球形粉体烘干、梯度升温烧结后冷却，制得混合粉末；
(4)喷涂
采用超音速火焰喷涂技术将混合粉末喷涂于预处理后的基体表面，即可制得低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料。
3.如权利要求2所述的低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇溶液的制备包括以下步骤：将聚乙烯醇粉体与去离子水按照质量比1:4-8混合后，水浴加热至65-85℃，搅拌12-24h，制得浓胶；将浓胶稀释加水稀释后制得聚乙烯醇溶液。
4.如权利要求3所述的低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，所述悬浮液的制备包括以下步骤：于浓胶中加入去离子水，使聚乙烯醇与去离子水的质量比为1:1.35-1.55，稀释后的聚乙烯醇溶液与混合粉末按照质量比为3-5:1进行混合球磨，控制球料比为5-10:1，球磨时间为12-24h，转速为120-180r/min，制得悬浮液。
5.如权利要求2所述的低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，所述喷雾造粒的参数为：进口温度为200-380℃，出口温度为100-200℃，送料速度为30-50r/min，雾化盘转速为12000-18000r/min，干燥气氛为氮气，压力为0.5-1.5Mpa。
6.如权利要求2所述的低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，所述超音速火焰喷涂技术的基体预热温度为80-120℃，助燃剂压缩空气压力为0.5-0.85MPa，流动速率为750-1200SL/min，燃料为丙烷或煤油，燃料压力为0.55-0.85MPa，燃料流动速率为10～20SL/h，燃烧室燃烧压力为0.6～1.0MPa，送粉率为60-100g/min，喷枪移动速度为400-900mm/min，喷涂距离为200-500mm，冷却介质为压缩空气，流动速率2-5SL/min。
7.如权利要求1所述的低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料的应用，其特征在于，所述低摩擦的超音速火焰喷涂耐磨涂层材料用于650℃以下的大气环境中或用于450℃以下的真空环境中。
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