专利名称：含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层及制备方法
技术领域：
本发明属于表面防护技术领域，特别是涉及一种含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层及制备方法。
背景技术：
民用及军用航空飞机上的起落架作动筒、襟翼滑轨等重要部件常采用低合金超高强钢或钛合金来制造，以满足飞机结构件设计的强度要求。虽然低合金超高强钢和钛合金材料具有良好的比强度，但缺点是具有表面缺口敏感性，由此而引起的表面损伤会影响构件的力学性能。为此，必须采取适当的措施对低合金超高强钢和钛合金材料进行表面保护，以提高结构件的使用性能。经过科研人员的探索，发现利用超音速火焰喷涂技术在这些材料表面制备碳化钨涂层是一种理想的防护方案。超音速火焰喷涂技术是上世纪80年代发展起来的一种高速火焰喷涂技术，其突出的特点是粒子飞行速度高(可达700m/s)，加热温度低(约为3000°C)，特别适合喷涂加热后易分解的碳化钨金属陶瓷涂层。这种涂层的结合强度高(彡80Mpa)、密度大(孔隙< 1% )、硬度高(彡HV1000)，因此具有良好的耐磨性倉泛。虽然碳化钨涂层的耐磨性非常好，但缺点是涂层的摩擦系数较高，因此摩擦磨损过程中容易产生大量的摩擦热。由于碳化钨涂层中存在空洞，并且涂层和基体合金之间具有明显的界面，所以涂层/基体结构的导热性能不佳。另外，在摩擦磨损环境中，涂层和基体的界面处容易造成热积累，因此将会造成基体的热损伤，这种热损伤又会影响基体金属的力学性能，使合金的寿命受到影响。因此降低摩擦磨损环境中的热积累对涂层和基体的性能稳定性来讲至关重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够降低磨削加工中的摩擦力和摩擦热，减少涂层和基体在使用过程中出现损伤的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层及制备方法。为了达到上述目的，本发明提供的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层是将碳化钨钴铬粉末和二硫化钥粉末经PVA粘结后固化的粉末采用超音速火焰喷涂技术喷涂在低合金超高强钢或钛合金材料基体表面而制成，其中碳化钨钴铬和二硫化钥的重量比为80 90 10 20。所述的碳化钨钴铬粉末的粒度为15-45微米，二硫化钥粉末的粒度为1-6微米。本发明提供的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层的制备方法包括按顺序进行的下列步骤I)将作为原料的碳化钨钴铬粉末和作为自润滑相的二硫化钥粉末在PVA介质中混合而粘结在一起，然后在混料机中混合6小时；2)将上述混合物在80°C下烘干，保温4小时而制成碳化钨钴铬和二硫化钥混合粉；3)将上述烘干后已结块的混合粉破碎成粉末并过筛，选取粒径范围在15-45微米的混合粉作为喷涂原料；4)以航空煤油为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气，采用超音速火焰喷涂机将上述混合粉原料喷涂在已经过喷砂处理的低合金超高强钢或钛合金材料基体表面而形成厚度为200-300 u m的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层。所述的喷涂过程中航空煤油的流量为23L/h，氧气流量为55000 slph，氩气流量为12L/min,喷涂距离为380mm,喷涂速度为300mm/s。所述的低合金超高强钢或钛合金材料基体表面喷砂处理选用的介质为60目白刚玉，喷砂压力为0. 6MPa。本发明提供的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层是在传统的碳化钨钴铬中加入作为自润滑相的二硫化钥，并采用PVA将碳化钨钴铬和二硫化钥混合粘接，烘干后制成混合粉，然后采用超音速火焰喷涂技术制备成碳化钨钴铬——二硫化钥复合涂层。与传统的碳化钨钴铬涂层相比，本发明提供的涂层干态滑动摩擦系数减少了 22-53%，摩擦磨损过程中的升温降低了 24-49%，因此有助于减少摩擦磨损过程中涂层的开裂和基体的热损伤，从而使涂层的质量和性能均得以提高。另外，本制备方法简单、便于操作。
图I (a)为传统的碳化钨钴铬粉末形态图。图I (b)为实施例I中90 %碳化钨钴铬粉末和10 % 二硫化钥粉末经PVA介质混合后再经烘干的混合粉形态图。图I (c)为实施例2中85%碳化钨钴铬粉末和15%二硫化钥粉末经PVA介质混合后再经烘干的混合粉形态图。图I (d)为实施例3中80 %碳化钨钴铬粉末和20 % 二硫化钥粉末经PVA介质混合后再经烘干的混合粉形态图。图2(a)为传统的碳化钨钴铬粉末涂层横截面抛光后的SEM图。图2 (b)为实施例I中90%碳化钨钴铬粉末和10% 二硫化钥粉末涂层横截面抛光后的SEM图。图2 (C)为实施例2中85%碳化钨钴铬粉末和15%二硫化钥粉末涂层横截面抛光后的SEM图。图2 (d)为实施例3中80%碳化钨钴铬粉末和20% 二硫化钥粉末涂层横截面抛光后的SEM图。图3为传统的碳化鹤钻络涂层、实施例I中90%碳化鹤钻络粉末和10%_■硫化钥粉末涂层、实施例2中85%碳化钨钴铬粉末和15%二硫化钥粉末涂层和实施例3中80%碳化钨钴铬粉末和20 %二硫化钥粉末涂层干态滑动磨损过程中的摩擦系数直方图。图4为传统的碳化鹤钻络涂层、实施例I中90%碳化鹤钻络粉末和10%_■硫化钥粉末涂层、实施例2中85%碳化钨钴铬粉末和15%二硫化钥粉末涂层和实施例3中80%碳化钨钴铬粉末和20%二硫化钥粉末涂层干态滑动磨损过程中温度升高值直方图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层及制备方法进行详细说明。实施例I :本实施例提供的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层的制备方法包括按顺序进行的下列步骤
I)将900克TAFA公司生产的粒度为15_45微米的1350VM型碳化钨钴铬(WC-10Co-4Cr)粉末和100克粒度为1_6微米的二硫化钥(MoS2)粉末在PVA介质中混合而粘结在一起，PVA用量以能够将碳化鹤钻络和_■硫化钥表面完全润湿为宜，然后在混料机中混合6小时；2)将上述混合物在80°C下烘干，保温4小时而制成碳化钨钴铬和二硫化钥混合粉；3)将上述烘干后已结块的混合粉破碎成粉末并过筛，选取粒径范围在15-45微米的筛分作为喷涂原料；4)喷涂前先对低合金超高强钢或钛合金材料基体表面进行喷砂处理，喷砂选用的介质为60目白刚玉,喷砂压力为0. 6Mpa ;5)以流量为23L/h的航空煤油为燃料，流量为55000slph的氧气为助燃剂，流量为12L/min的氩气为送粉气，在喷涂距离为380mm，喷涂速度为300mm/s的条件下采用超音速火焰喷涂机将上述喷涂原料喷涂在已经过喷砂处理的低合金超高强钢或钛合金材料基体表面，控制喷涂次数，直至形成厚度为200-300 iim的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化鹤涂层。实施例2 本实施例中除碳化钨钴铬粉末和二硫化钥粉末的用量为850克及150克之外，其余条件与实施例I相同。实施例3 本实施例中除碳化钨钴铬粉末和二硫化钥粉末的用量为800克及200克之外，其余条件与实施例I相同。为了验证本发明的效果，本发明人利用扫描电镜对上述实施例中涂层制备过程中不同阶段原料的结构和形态进行了观察，图I (a)为传统的碳化钨钴铬粉末形态图。图I (b)为实施例I中90%碳化钨钴铬粉末和10%二硫化钥粉末经PVA介质混合后再经烘干的混合粉形态图。图I (c)为实施例2中85%碳化钨钴铬粉末和15%二硫化钥粉末经PVA介质混合后再经烘干的混合粉形态图。图I (d)为实施例3中80%碳化钨钴铬粉末和20%二硫化钥粉末经PVA介质混合后再经烘干的混合粉形态图。由图可见，经PVA介质混合及干燥后，碳化鹤钻络粉末和_■硫化钥粉末很好地粘接在一起。图2(a)为传统的碳化钨钴铬粉末涂层横截面抛光后的SEM图。图2 (b)为实施例I中90%碳化钨钴铬粉末和10%二硫化钥粉末涂层横截面抛光后的SEM图。图2(c)为实施例2中85%碳化钨钴铬粉末和15%二硫化钥粉末涂层横截面抛光后的SEM图。图2(d)为实施例3中80%碳化钨钴铬粉末和20%二硫化钥粉末涂层横截面抛光后的SEM图。结果表明，经过超音速火焰喷涂以后，二硫化钥在碳化钨钴铬基体中呈片状分布。
另外，本发明人利用立式磨损试验机对由上述实施例制备出的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层在滑动摩擦过程中的干态摩擦系数和升温情况进行了分析，并以传统的碳化钨钴铬粉末涂层作为对比。实验中选用金刚石片为对磨副，试验机压力为40N，线速度为lm/s，试验时间为300s，摩擦行程为300米。摩擦系数由试验机直接读出，同时采用试验机自带的测温装置记录摩擦过程中的温升过程。实验结果如图3、图4所示，由图可见，传统的碳化钨钴铬粉末涂层的滑动摩擦系数为0. 478，滑动磨损中的升温为28. 89K ;实施例I中90%碳化钨钴铬粉末和10% 二硫化钥粉末涂层滑动摩擦系数为
0.372，滑动磨损中的升温为21. 91K ;实施例2中85%碳化钨钴铬粉末和15% 二硫化钥粉末涂层的滑动摩擦系数为0. 258，滑动磨损中的升温为15. 85K ;实施例3中80%碳化钨钴铬粉末和20%二硫化钥粉末涂层的滑动摩擦系数为0. 221，滑动磨损中的升温为14. 57K。由此可见，本发明提供的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层的摩擦磨损性能均优于传统的碳化钨钴铬粉末涂层。
权利要求
1.一种含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层，其特征在于所述的涂层是将碳化钨钴铬粉末和二硫化钥粉末经PVA粘结后固化的粉末采用超音速火焰喷涂技术喷涂在低合金超高强钢或钛合金材料基体表面而制成，其中碳化钨钴铬和二硫化钥的重量比为80 90 10 20。
2.根据权利要求I所述的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层，其特征在于所述的碳化钨钴铬粉末的粒度为15-45微米，二硫化钥粉末的粒度为1-6微米。
3.—种如权利要求I所述的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层的制备方 法，其特征在于所述的制备方法包括按顺序进行的下列步骤 1)将作为原料的碳化钨钴铬粉末和作为自润滑相的二硫化钥粉末在PVA介质中混合而粘结在一起，然后在混料机中混合6小时； 2)将上述混合物在80°C下烘干，保温4小时而制成碳化钨钴铬和二硫化钥混合粉； 3)将上述烘干后已结块的混合粉破碎成粉末并过筛，选取粒径范围在15-45微米的筛分作为喷涂原料； 4)以航空煤油为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气，采用超音速火焰喷涂机将上述喷涂原料喷涂在已经过喷砂处理的低合金超高强钢或钛合金材料基体表面而形成厚度为200-300 u m的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层。
4.根据权利要求3所述的含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层的制备方法，其特征在于所述的喷涂过程中航空煤油的流量为23L/h，氧气流量为55000slph，氩气流量为12L/min,喷涂距离为380mm,喷涂速度为300mm/s。
全文摘要
一种含固体自润滑相的超音速火焰喷涂碳化钨涂层及制备方法。涂层是在传统的碳化钨钴铬中加入作为自润滑相的二硫化钼，碳化钨钴铬和二硫化钼的重量比为80～90∶10～20，并采用PVA将碳化钨钴铬和二硫化钼混合粘接，烘干后制成混合粉，然后采用超音速火焰喷涂技术制备成碳化钨钴铬——二硫化钼复合涂层。与传统的碳化钨钴铬涂层相比，本发明提供的涂层干态滑动摩擦系数减少了22-53％，摩擦磨损过程中的升温降低了24-49％，因此有助于减少摩擦磨损过程中涂层的开裂和基体的热损伤，从而使涂层的质量和性能均得以提高。另外，本制备方法简单、便于操作。
文档编号C23C4/10GK102618814SQ20121009981
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者丁坤英, 孙振, 王志平, 程涛涛, 纪朝辉, 苏景新, 路鹏程 申请人:中国民航大学