一种陶瓷基自润滑复合涂层的制备方法与流程

本发明涉及一种陶瓷基自润滑涂层的制备方法及工艺，属于复合材料和表面工程领域。该专利可用于轴承、转动叶片尖端等处的耐磨及自封孔涂层。

背景技术：

随着现代机械和机构运转速度和负荷的急剧增加以及航空航天、军工和核能技术的发展，许多工况条件处于无油润滑或少油润滑状态下，此时材料不仅要有优异的耐磨性能，还应具有良好的减摩性能。直接在零件表面实际承受接触摩擦磨损等作用的特定部位上制备一层具有低摩擦系数、优异耐磨性能的特殊涂层，是一种十分有效的方法。

tin具有高熔点、高硬度和高的耐磨性，广泛应用于机械加工、高温材料。但是属于脆性材料，颗粒间的结合多属于机械结合，不易制备较厚涂层，并且直接喷涂tin陶瓷成本较高。利用反应等离子喷涂技术，喷涂过程中ti粉与n2反应生成的tin涂层致密，并且该方法经济高效。

现有的研究中，有利用固体自润滑材料来提高涂层的性能的方案。例如通过喷雾造粒方法制备ni/peek粉，其中peek占ni/peek的重量比10％，用20～40μm的ni/peek粉与20～50μm的ti粉(质量组成比例同上)混合用等离子喷涂方法制备成涂层，利用有机物(peek)的低摩擦系数来提高tin基复合涂层的耐磨性。这种方法的缺点是如果未完全包覆，或者沉积过程中粉末外层包覆的ni剥落，peek会发生降解，从而该复合涂层磨损过程中的自润滑性减弱。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对纯陶瓷涂层脆性过大等不足，提供一种陶瓷基自润滑复合涂层的制备方法。该方法将金属粉与ni/c粉混合，用反应等离子喷涂技术将ni/c(固体润滑剂)沉积到tin(反应得到的金属粉)基体中，利用石墨的润滑性改善tin涂层的纵向裂纹多、脆性大等缺陷。本发明得到了一种既具有高的硬度和良好的耐腐蚀性，又有很好耐磨性的复合涂层，扩宽tin涂层的使用领域。

本发明的技术方案为：

一种陶瓷基自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对基体材料表面进行清洗；

(2)对清洗之后的基体表面喷砂；

(3)对步骤(2)处理后的表面喷涂90～110μm厚度的粘结层；粘结层的原料粉为ni-al或nicraly自熔性合金粉；

(4)在步骤(3)处理好的表面上通过反应等离子喷涂混合粉料，制备复合陶瓷基自润滑涂层；

所述的混合料粉的组成为ti粉和ni/c粉，ni/c粉的质量为混合粉料的质量的8％～30％；

所述的ti粉粒径为20～50μm，ni/c粉粒径40～80μm；

所述的喷涂参数为：电流大小为400～600a，电压大小为40～60v，送粉速度0.5～0.9g/min，喷涂距离100mm～120mm，氮气为送粉气体，流量50～100l/h；涂层喷涂厚度为300～400μm。

所述的基体为合金或碳钢。

所述的步骤(2)中喷砂处理后表面粗糙度为50～70μm。

所述的步骤(3)中喷涂前需对试样表面进行预热处理，预热温度为150～200℃，预热时间为5～10s。

本发明的实质性特点为：

本发明采用反应等离子喷涂使纳米陶瓷涂层和固体润滑剂(ni/c粉)结合在一起，制备纳米陶瓷为基，固体润滑剂为第二相的复合涂层，实现涂层在摩擦磨损过程中自润滑。对比于单一的固体润滑涂层，制得的陶瓷基自润滑涂层又具有较高的耐腐蚀性和硬度。该方法采用ni/c对tin基复合涂层进行增韧和减摩，由于石墨耐高温，即使在喷涂过程中表面ni剥落，也不会影响石墨对复合涂层的润滑作用。并且目前制备ni/c粉的技术已经相对成熟，包覆的比较完好。

本发明通过ti粉作为原料反应生成纳米tin后具有高熔点、高硬度和高的耐磨性，ni/c粉作为软相加入纳米tin基体中，ni作为c和tin的粘结相使涂层结合良好，c为涂层提供了良好的自润滑性。

本发明的有益效果：

当前技术中，氮化物陶瓷粉直接喷涂成本过高，并且与ni/c粉混和后喷涂会导致分布不均匀。利用反应等离子喷涂喷涂ti粉与ni/c粉的混合粉，改善涂层分布不均、成本过高的问题。

本发明把具有高硬度、高耐磨性的tin与具有润滑性能和耐腐蚀性的的ni/c通过反应等离子喷涂技术制备出来，得到的复合涂层可以改善压气机的封严部位的耐磨损和耐腐蚀性能，增加机器的使用寿命，扩宽tin涂层的使用领域。

其中ni/c可以购买获得，减少实验的繁琐性，同时又能达到预期减磨效果，改善涂层磨损性能的同时，又对涂层起到增韧作用，减少tin涂层的纵向裂纹。tin基复合涂层中ni/c含量过高时，对涂层的耐磨性也不利，涂层中ni/c含量在10％时涂层耐磨性能最好。同时，由于喷涂过程中有一部分c取代n生成ticn，ticn本身的韧性较好，对涂层的性能有利。

通过该方法制备的tin-ni/c复合涂层中涂层ni/c均匀分布，对复合涂层的各项性能有利。石墨在磨损过程中形成润滑膜，使复合涂层摩擦系数均降低，磨损率减少。以实施例1为例，载荷为150n时，磨损时间为30min时，tin-ni/c复合涂层的摩擦系数为0.63，而纯tin涂层在相同实验条件下摩擦系数为0.7，复合涂层的摩擦系数与纯tin涂层相比下降10％。同时，tin-ni/c复合涂层的磨损失重比纯tin涂层减少31％。说明ni/c的加入对复合涂层的磨损过程起到润滑作用，tin-ni/c复合涂层的耐磨损性能比纯tin涂层好。

本发明采用的反应等离子喷涂技术工艺简单，不受基体形状的约束，易实现规模化生产，并且能够得到较为致密的涂层。制得的陶瓷基自润滑涂层具有良好的耐磨性并有优异的自润滑性能，适用于压气机的封严部位、滑动轴承及叶片尖端，应用前景极为广阔。

附图说明

图1是实施例1中制备的陶瓷基自润滑涂层sem照片；

图2是实施例1中制备的陶瓷基自润滑涂层xrd分析图谱；

图3是实施例2中制备的陶瓷基自润滑涂层sem照片；

图4是实施例2中制备的陶瓷基自润滑涂层xrd分析图谱。

具体实施方式

本发明所用的金属ti粉和ni/c粉均为公知市售产品：

所述的ti粉的粒度大小为20～50μm，其质量组成为：ti：＞99.5％；n：＜0.02％；c：＜0.03％；h：＜0.06％；cl：＜0.04％；si：＜0.02％；mg：＜0.01％；mg：＜0.01％。

所述的ni/c粉为40～70μm的石墨片外包覆粒径为2～5μm的镍粉，粒度大小为40～80μm，其质量组成ni：75％；c：25％。

所述的ni-al或nicraly自熔性合金粉为公知市售材料，粒径为30～70μm；

实施例1

在45#钢表面制备tin-ni/c复合涂层的方法，具体过程如下：

(1)对基体表面预处理

喷涂前对基体表面用无水乙醇进行清洗，干燥备用；

(2)对预处理之后的工件表面喷砂进行粗化活化处理

在预处理后的表面进行喷砂处理，目的是去除表面的氧化皮以及铁锈，处理后基体表面获得粗糙度为50～70μm的表面，有利于涂层和基体的机械咬合，提高涂层和基体的结合强度；

(3)采用热喷涂技术对处理后的表面喷涂约100μm厚度的粘结层；粘结层的原料粉为微米级的ni-al合金粉，其质量比例为：ni：90％；al：10％，粉末粒径为30-70μm。喷涂前需对试样表面进行预热处理，预热温度为150℃，预热时间为6s；

(4)在步骤(3)处理好的表面上通过等离子喷涂技术制备tin-ni/c复合涂层。ti粉与ni/c粉的混合比例为9:1，将粉末在混粉器中混合60min。

等离子喷涂参数为：电流大小为500a，电压大小为60v，送粉速度0.9g/min，喷涂距离100mm，氮气为送粉气体，流量为80l/h。喷涂后空冷，涂层喷涂厚度为300μm。喷涂设备为江苏泰兴业源喷涂机械厂生产的80kwgp-80型等离子喷涂设备。

图1为上述制得的tin-ni/c复合涂层的表面sem图，可以看出涂层较致密，各相之间结合良好，石墨在tin基体中分布均匀，显微裂纹较少。

图2为上述制得的复合涂层的xrd图谱，谱图中主要存在tin峰，还有ni峰、c峰和少量ti3o峰，表明ti粉和n2反应生成tin。

实施例2

在45#钢表面制备tin-ni/c复合涂层的方法，具体过程如下：

(1)对基体表面预处理

喷涂前对基体表面用无水乙醇进行清洗，干燥备用；

(2)对预处理之后的工件表面喷砂进行粗化活化处理

在预处理后的表面进行喷砂处理，目的是去除表面的氧化皮以及铁锈，处理后基体表面获得粗糙度为ra≈0.5μm的表面；

(3)采用热喷涂技术对处理后的表面喷涂约100μm厚度的ni-al粘结层。喷涂前需对试样表面进行预热处理，预热温度为150℃，预热时间为6s；

(4)在步骤(3)处理好的表面上制备tin-ni/c复合涂层。ti粉与ni/c粉的混合比例为17:3，将粉末在混粉器中混合60min。

等离子喷涂参数为：电流大小为500a，电压大小为60v，送粉速度0.9g/min，喷涂距离100mm，氮气为送粉气体，流量为80l/h。喷涂后空冷，涂层喷涂厚度为300μm。

图3为上述制得的tin-ni/c复合涂层的表面sem图，可以看出涂层各相间结合良好，组织较为致密，石墨分布均匀，没有出现未熔区域。

图4为上述制得的复合涂层的xrd图谱，图谱中的峰主要为tin、ni、c和少量ti3o峰。

对上述制得的tin-ni/c复合涂层进行摩擦磨损性能分析，采用环-块式滑动对磨方式，上摩擦副为45#钢喷涂的tin-ni/c复合涂层的面，下摩擦副为经过热处理后硬度为55～65hrc的gcr15对磨环，施加载荷为150n，持续磨损时间为30min，转速为200rad/min。磨损试验在室温大气环境中进行。磨损失重值为5个试样的失重值的平均值。另使用纯tin涂层在相同实验条件下的磨损情况作对比。

表1实施例1-2tin-ni/c复合涂层的摩擦系数及磨损失重

由上表可以看出由反应等离子喷涂技术制备的tin-ni/c复合涂层，平均摩擦系数均低于纯tin涂层，说明其有良好的耐磨性，ni/c加入对tin的磨损过程起到了润滑作用。磨损量均低于tin涂层，说明上述方法制备的复合涂层具有良好的耐磨性。

本发明未尽事宜为公知技术。