CN1240814C - 箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层及其制备方法，该涂层所包含的重量比成分为：Ni：47%～49%，Cr：11%～13%，Cr2O3：18%～22%，BaF2：5%～7%，CaF2：2%～4%，余量为Ag。采用高能球磨机对上述100～200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2、Ag粉体进行球磨，获得粒度小于100nm的纳米复合粉体，用能量较低的喷涂参数进行等离子喷涂，获得Cr2O3、BaF2和CaF2颗粒小于200nm且分布均匀的纳米复合润滑涂层。在进行摩擦磨损试验时，本发明的涂层在室温～350℃时，磨损量比现有的PS304涂层降低30%，而在350～650℃时，磨损量降低20%。可延长箔片轴承的使用寿命以及降低维护费用。
Description
技术领域
本发明属于耐高温摩擦磨损材料领域，具体涉及PS300系列及制备技术，特别涉及箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层及其制备方法。
背景技术
目前，箔片空气动压轴承已在高温高速旋转机械中得到了成功的应用，例如空气制冷机、辅助能量单元和各类小型透平压缩机及航空机械上，包括波音747、757、767、DC-10、F-15、F-16以及幻影2000等都采用了箔片空气动压轴承。箔片空气动压轴承技术进步和发展的关键技术之一是高温起停时的润滑。在正常高速运转中，轴承被支撑在由其自身所产生的空气薄膜上，因此不会产生磨损，但在轴的启动以及停止时，箔片会与轴颈发生摩擦，不可避免地产生磨损。而当箔片磨损超过其厚度的25％时，以及当轴杆的磨损超过0.025mm时，此箔片空气轴承即已失效。由于传统的石墨、聚四氟乙烯、MoS2等固体自润滑材料在温度高于300℃时已失去润滑作用，因此美国NASA格林研究中心于1995～1997年在PS300的基础上研制成功耐高温(室温～650℃)箔片空气轴承的PS304涂层(美国专利：US 5866518)，该涂层为NiCr(80wt％Ni-20wt％Cr)合金基体，包含3种润滑材料，Cr2O3、Ag和BaF2/CaF2的共晶体(62wt％BaF2-38wt％CaF2)。其中，NiCr合金(占总重量：60wt％)提供良好的耐高温氧化、耐高温腐蚀性能和基本机械强度；Cr2O3(占总重量：20wt％)不仅可强化涂层的强度，而且可提供有效的高温润滑性能(温度＞500℃)；当温度低于450℃时，Ag(占总重量：10wt％)可提供良好的润滑性能；当温度大于450℃时，BaF2/CaF2(占总重量：10wt％)可提供良好的润滑性能。
PS304的加工过程为先将NiCr粉(44～74um)、Cr2O3粉(30～44um)、Ag粉(45～100um)和共晶BaF2/CaF2(约50um)粉末混合后再用等离子喷涂到轴颈上，其加工过程如图1所示。图2为格林研究中心研制的PS304涂层剖面扫描电镜照片，图中显示涂层的组织粗大、不均匀并且有较多的孔隙。图3为PS304涂层在540℃退火150小时后的扫描电镜照片，图中表明Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子均处于微米数量级，且分布不均匀。
从材料学科的角度分析，上述PS304涂层的组织并不理想。对于使用厚度约为100～200um的涂层，形状不规则且长度远大于10um的Ag、Cr2O3、BaF2/CaF2造成涂层组织的严重不均匀。这种不均匀的涂层易造成不均匀的润滑作用，微米级的Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子易过早地被剥离脱落而失去润滑作用，且不均匀的Cr2O3造成NiCr基体的强度和硬度的不均匀，产生较大的残余应力，易导致涂层局部或整体的破坏。然而，当涂层中自润滑相尺寸达到纳米级且分布均匀时，纳米结构涂层的耐摩擦磨损性能、热学性能以及力学性将能得到不同程度的提高。因此，如果大幅度细化自润滑颗粒的尺寸并使之分布均匀，可使PS304涂层的性能得到明显的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层及其制备方法，该方法大幅度细化涂层中的自润滑颗粒，使Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子由微米数量级细化至纳米数量级，以提高涂层的润滑性能及强度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，一种箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层，其特征在于，该涂层所包含的重量比成分为：Ni：47％～49％，Cr：11％～13％，Cr2O3：18％～22％，BaF2：5％～7％，CaF2：2％～4％，余量为Ag。
实现上述箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
1)涂层的重量比配方：
Ni：47％～49％、Cr：11％～13％、Cr2O3：18％～22％、BaF2：5％～7％、CaF2：2％～4％、余量为Ag；
2)采用高能球磨机对上述配方中的纯度大于99.9％、粒度为100um～200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2、Ag粉体进行球磨5小时～8小时，使上述粉末均匀混合成粒度小于100nm的复合纳米粉末；
3)将获得的复合纳米粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得Cr2O3和BaF2/CaF2颗粒小于200nm且分布均匀的纳米复合润滑涂层；
4)最后将纳米复合润滑涂层在500℃～600℃大气环境下保温15～20小时。
本发明采用100～200um的粉末为原料，具有成本低的优点，高能球磨后粉末粒度小于100um，等离子喷涂时粉末流动性好，不会阻塞管道与喷嘴。而现有的PS304喷涂技术采用小于100um的粉体，成本高，且容易阻塞管道与喷嘴。
因纳米粉体的熔点较微米粉体的熔点有较大的降低，故等离子喷涂时所需的电压、电流也较小；并且用纳米粉体进行喷涂时，粉体的沉积率有20％的提高，所以用纳米粉体进行喷涂可进一步降低成本。
经等离子喷涂后，本发明的涂层内纳米级的自润滑相Cr2O3、BaF2和CaF2颗粒小于200nm，且均匀分布在NiCr基体中，而现有的PS304涂层自润滑相为微米级分布，且分布不均匀。
纳米复合耐高温涂层的性能明显优于现有的PS304涂层。使用Al2O3、AlCu4、Ni基硬质合金与本发明的涂层进行摩擦磨损试验数据表明，本发明的涂层在室温～350℃时，磨损量比现有的PS304涂层降低30％，而在350～650℃时，磨损量降低20％。
附图说明
图1是美国专利：US 5866518的PS304涂层加工过程图片，其中(a)为底切，(b)为喷沙，(c)为喷涂(d)为表面处理；
图2为PS304涂层纵剖面图片；
图3为PS304涂层在450℃运行150小时后扫描电镜照片；
图4为本发明制备的复合粉末的透射电镜照片；
图5为现有技术制备的BaF2/CaF2粉末照片；
图6为高能球磨粉料喷涂后的涂层颗粒比较细小的涂层表面形貌图片；
图7为简单混合粉料喷涂后的涂层粗糙且有深坑的涂层表面形貌图片；
图8为简单混合粉体喷涂后Ag大面积熔化，造成成分的严重偏析的涂层形貌图片。
具体实施方式
以下结合发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例：按照上述技术方案，本实施例的箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层所包含的重量比成分为：Ni为48％，Cr为12％，Cr2O3为20％，BaF2为6％，CaF2为4％，余量为Ag
其制备方法是：
①将上述纯度均大于99.9％、粒度为100～200um的Ni粉、Cr粉、Cr2O3粉、BaF2粉、CaF2粉、Ag粉在高能球磨机中球磨5小时～8小时，使上述粉末均匀混合成粒度小于100nm的复合粉末(即每个颗粒内均含有上述成分)。图4为本发明制备的复合粉末的透射电镜照片，由图可知，复合粉末的粒度小于100nm。而现有的技术是将上述粉末简单混合(所用粉末的粒度前面已述)，且只控制BaF2/CaF2粉末的形状及大小，要求使用球状粉末。图5为现有技术制备的BaF2/CaF2粉末照片，其中球状粉末的制备成本极高。这是本发明不同于现有PS304制粉技术的关键发明点之一。
②将高能球磨的复合粉末用等离子喷涂到轴颈上，喷涂参数如下表1所示。由于纳米粉体的熔点低于微米粉体的熔点，因此喷涂电压与电流均低于现有的PS304喷涂电压和电流。轴颈的加工过程与图1相同。
表一：喷涂参数
| 现有技术喷涂参数 | 本发明喷涂参数 | |
| 电流 | 600A | 550A |
| 电压 | 30V～32V | 28V～30V |
| 喷涂距离 | 8cm～10cm | 8cm～10cm |
| 氩弧气流速 | 35sl/min | 35sl/min |
| 粉末流速 | 1kg/hr | 1kg/hr |
| 粉末气流速 | 0.4m3/hr | 0.4m3/hr |
本实施例的经高能球磨得到的复合粉末，喷涂后的涂层孔隙率较低、粒子与粒子结合面积增大、表面喷溅的液滴也较小，如图6所示。而用现有的PS304技术进行喷涂，涂层孔隙率较大、有较大的深坑，如图7所示；且有Ag的大面积融化层，如图8所示，造成成分分布的不均匀性。
因此，采用本发明的纳米粉末进行等离子喷涂，喷涂所需能量有10％的降低；且喷涂沉积率有20％的提高，因此采用本发明的纳米粉末可明显降低喷涂成本。
③将涂层在500℃～600℃大气环境下保温15～20小时，可消除涂层中的残余应力、增强粒子与粒子之间和涂层与基底之间的结合强度，并使固熔于Ni中的Cr以小于100nm的粒度从Ni基体中析出，从而起到析出强化的效果。而现有的热处理技术是在650℃退火50小时消除涂层内残余应力且析出微米数量级Cr颗粒。
经过上述加工，获得自润滑相(Cr2O3、BaF2/CaF2)和增强相(Cr)以纳米数量级的尺寸均匀分布在NiCr基体中的纳米复合组织，而现有PS304系列等涂层的加工技术是获得微米混合组织(如前图3所示)。这是本发明不同于现有PS304系列组织的另一关键发明点(PS304专利未保护涂层组实施例)。
采用本发明的纳米粉体进行等离子喷涂，由于获得Cr2O3、BaF2和CaF2颗粒小于200nm且分布均匀的纳米复合润滑涂层，根据试验表明，箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层所包含的Ni为47％～49％，Cr为11％～13％，Cr2O3为18％～22％，BaF2为5％～7％，CaF2为2％～4％，余量为Ag是合适的，在上述配方范围内得到的润滑涂层优于现有的PS304涂层；申请人使用现有的箔片空气轴承采用的Al2O3、AlCu4、Ni基硬质合金材料与本发明的涂层进行摩擦磨损试验，试验数据表明室温～350℃时，磨损量比现有的PS304涂层降低30％，而在350～650℃时，磨损量降低20％，这对于延长箔片轴承的使用寿命、降低维护费用具有重大意义。
Claims (2)
1.一种箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层，其特征在于，该涂层所包含的重量比成分为：Ni：47％～49％，Cr：11％～13％，Cr2O3：18％～22％，BaF2：5％～7％，CaF2：2％～4％，余量为Ag。
2.实现如权利要求1所述的箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
1)涂层的重量比配方：
Ni：47％～49％、Cr：11％～13％、Cr2O3：18％～22％、BaF2：5％～7％、CaF2：2％～4％、余量为Ag；
2)采用高能球磨机对上述配方中的纯度大于99.9％、粒度为100um～200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2和Ag粉体进行球磨5小时～8小时，使上述粉末均匀混合成粒度小于100nm的复合纳米粉末；
3)将获得的复合纳米粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得Cr2O3和BaF2/CaF2颗粒小于200nm且分布均匀的纳米复合润滑涂层；
4)最后将纳米复合润滑涂层在500℃～600℃大气环境下保温15～20小时。
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