一种强结合宽温域自润滑涂层及其制备方法

本发明涉及复合材料及涂层，尤其涉及一种强结合宽温域自润滑涂层及其制备方法。

背景技术：

1、现代航空航天工业等高技术产业的发展对关键机械传动部件表面的宽温域自润滑涂层性能提出了越来越高的要求。相对于其他润滑材料，宽温域自润滑涂层能够以较少的质量在较宽的温度范围内表现出优异的润滑性能。自上世纪五十年代以来，美国航空航天局（nasa）为解决高温机械传动系统的摩擦磨损问题，研究出了极具代表性的ps100～ps400系列涂层，实现了室温至650 ℃下的良好润滑。最新研制的ps400涂层使用nimoal代替了nicr基体，改善了基体的高温抗氧化能力，在高温大气、惰性气体和真空环境下均具有较好的尺寸稳定性。将ag与baf2/caf2共晶分别作为中低温和高温润滑剂的协同设计经实践检验具有很高的应用价值，至今仍是较为成功的宽温域润滑涂层设计思路。

2、中国专利cn103074561a公开了一种利用大气等离子喷涂技术制备的nimoal-ag-cr2o3-baf2/caf2宽温域润滑涂层，初始阶段摩擦系数在0.2以下，结合强度最高大于40mpa。

3、随着宽温域自润滑涂层应用及研究的不断深入，传统自润滑涂层较差的抗氧化性能及力学性能的缺点成为了现阶段亟需解决的问题。其中结合强度作为评价涂层性能和寿命的重要指标是人们持续关注的问题。

4、涂层中加入的润滑物质不可避免得导致材料的力学性能下降，这使得涂层结合性能变差，进一步影响宽温域自润滑涂层的寿命。中国专利cn104278227b公开了一种大气等离子工艺制备的nicraly-ag-mo宽温域润滑涂层，涂层结合力在25 ~ 38 mpa之间，磨损率在2×10-5~ 10×10-5mm3/nm之间。为使自润滑涂层保持良好宽温域润滑性能并延长其服役寿命，中国专利cn115110017公开了一种利用等离子喷涂技术制备的nicraly-ag@ni-mo宽温域润滑涂层，该技术以抗氧化性能较强的nicraly为基体，将摩擦系数控制在0.25 ~0.35，磨损率在1.8 ~ 11.07 × 10-5mm3/nm，将等离子喷涂nicraly基自润滑涂层的结合强度提升至45 mpa左右。利用大气等离子喷涂工艺制备的nicraly-ag-mo涂层进行中温热处理，将涂层的结合力由33 mpa提升至50 mpa （journal of alloys&compounds, 2016,686: 503-510）。中国专利cn111349881a公开了一种大气等离子喷涂工艺制备的以nicraly作为粘结层，含不同比例润滑剂的alcocrfeni-ag-baf2/caf2涂层，所制备的涂层在800 ℃下平均摩擦系数最低；400 ℃下平均磨损率最大；涂层的结合力在45 ~ 51mpa之间。中国专利cn115874135a公开了一种以nicralysi为粘结层、以nicr-cr2c3为基体相、以ag和氟化物作为润滑相的梯度宽温域自润滑涂层，利用超音速火焰喷涂制备的涂层平均结合强度为62mpa，室温至800 ℃高温环境下摩擦系数为0.26 ~ 0.65。

5、与目前的超音速火焰喷涂、等离子喷涂等热喷涂技术相比，爆炸喷涂技术具有火焰温度适中、粒子飞行速度极快以及耗能较少的特点。通过此技术制备的涂层具有低孔隙率、致密的结构以及极高的结合力，且能基本保留原料粉末的原始成分。中国专利cn115537704a公开了一种利用爆炸喷涂技术制备的nicraly-ag润滑涂层，结合强度在40 ~50 mpa之间，室温至300 ℃摩擦系数小于0.3，摩擦学性能良好但结合强度仍然较低。

6、爆炸喷涂的技术特点使得所沉积的涂层具有较长的服役寿命及较好的力学性能，对于宽温域润滑涂层在航空航天工业等高技术领域的应用和发展具有极为重要的意义。然而近年来关于利用爆炸喷涂技术制备具有高结合力和优异摩擦学性能的nicraly基高温自润滑涂层的研究鲜见专利公开报道。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高结合力和优异摩擦学性能的强结合宽温域自润滑涂层。

2、本发明所要解决的另一个技术问题是提供该强结合宽温域自润滑涂层的制备方法。

3、为解决上述问题，本发明所述的一种强结合宽温域自润滑涂层，其特征在于：该涂层的结合力为64 ~ 73 mpa，其由粘结层与协同润滑层两部分组成；所述粘结层是指金属基底表面利用爆炸喷涂技术以nicraly粉末为原料沉积的涂层；所述协同润滑层是指由按质量百分比计的67.5 ~ 75% nicraly、20% ag和5 ~ 12.5% baf2/caf2共晶粉末经球磨、爆炸喷涂而成的涂层。

4、该涂层的厚度为200 ~ 300 µm。

5、如上所述的一种强结合宽温域自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

6、⑴对金属基底表面进行喷砂处理，并采用无水乙醇超声20min去除嵌入表面的颗粒及杂质，随后于80 ℃烘干至恒重，即得处理后的金属基底；

7、⑵按质量百分比计，将67.5 ~ 75% nicraly、20% ag和5 ~ 12.5% baf2/caf2共晶粉末物料，在行星式低能球磨机中球磨混合，即得nicraly - ag - baf2/caf2混合粉末；

8、⑶利用爆炸喷涂工艺，将nicraly粉末沉积在所述处理后的金属基底，形成厚度为50 µm的粘结层；

9、⑷利用爆炸喷涂工艺，将所述nicraly - ag - baf2/caf2混合粉末沉积在所述粘结层上，形成厚度为150 ~ 250 µm的协同润滑层；

10、⑸冷却至室温，即得强结合宽温域自润滑涂层。

11、所述步骤⑴中金属基底是指inconel 718高温合金。

12、所述步骤⑴中喷砂处理的条件是指压力为0.4 ~ 0.6 mpa，喷砂角度控制在与金属基底平面方向呈75°角。

13、所述步骤⑵中球磨混合的条件是指磨球为碳化钨球，球料比为1:1，转速为250 r/min，混合时间为4小时。

14、所述步骤⑶~⑷中爆炸喷涂工艺的条件是指爆燃气体混合氧碳比为1:1 ~ 1:1.5，燃气成分为乙炔、丙烷，充气量为40% ~ 60%，采用脉冲式送粉及点火方式，喷涂频率为3 ~5 hz，送粉率为0.5 g/shot，喷涂距离为150 ~ 300 mm，使用氮气作为送粉载气和保护气体，使用压缩空气作为冷却气体。

15、本发明与现有技术相比具有以下优点：

16、1、本发明强结合性能来源于爆炸喷涂技术促使粉末粒子以超高的速度以及半熔融的状态撞击在基体表面，同时铺展沉积并形成孔隙率较低且致密度较高的涂层。其中粘结层能够在与基体之间界面的产生良好的机械连锁与发生化学键合，最大限度提高涂层的结合力。

17、2、本发明选择高温力学性能和抗氧化性能均优异的inconel 718高温合金作为基底，通过沉积nicraly作为基体相，通过添加软金属ag来改善涂层的室温脆性，通过添加baf2/caf2共晶来改善涂层的高温摩擦磨损性能。

18、3、本发明采用爆炸喷涂技术制备的宽温域自润滑涂层的宽温域（室温 ~ 900 ℃）自润滑性能来自于在中低温时软金属ag的润滑作用，高温摩擦过程中通过baf2/caf2共晶脆性向韧性转变及摩擦化学反应原位生成的氧化镍等氧化物形成的高温润滑膜，通过调整沉积涂层内部的润滑剂比例和化学组分，在不牺牲涂层力学性能的前提下达到最佳的宽温域自润滑效果。

19、4、本发明采用爆炸喷涂技术制备的宽温域自润滑涂层具有极强的结合性能，优于普通热喷涂方法制备的自润滑涂层，大大提高了涂层的服役寿命。其强结合性能来源于爆炸喷涂自身技术特点以及对喷涂工艺参数的优化。

20、5、本发明采用爆炸喷涂技术制备的宽温域自润滑涂层在室温到900 ℃下皆具有良好的润滑及抗磨性能，尤其在中温及高温下拥有较低的摩擦系数与磨损率。

21、6、本发明采用爆炸喷涂技术制备的宽温域自润滑涂层内部裂缝及孔隙较少，具有较为致密的结构。在被剥落时出现会出现较多滑移台阶、撕裂棱以及尖针状断口，拉开时内部发生滑移及韧性断裂，涂层的断裂难度大使得结合强度较高。

22、7、本发明采用爆炸喷涂技术制备的宽温域自润滑涂层具有优于等离子喷涂等其他方法沉积涂层的硬度。

23、8、本发明制备成本较低且制备工艺简单快速，适合工业生产，适用于航空航天领域或其他需在极端工况下用于机械零部件表面减摩抗磨的保护涂层。