專利名稱：箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于耐高溫摩擦磨損材料領(lǐng)域，具體涉及PS300系列及制備技術(shù)，特別涉及箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，箔片空氣動(dòng)壓軸承已在高溫高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中得到了成功的應(yīng)用，例如空氣制冷機(jī)、輔助能量單元和各類小型透平壓縮機(jī)及航空機(jī)械上，包括波音747、757、767、DC-10、F-15、F-16以及幻影2000等都采用了箔片空氣動(dòng)壓軸承。箔片空氣動(dòng)壓軸承技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一是高溫起停時(shí)的潤滑。在正常高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，軸承被支撐在由其自身所產(chǎn)生的空氣薄膜上，因此不會產(chǎn)生磨損，但在軸的啟動(dòng)以及停止時(shí)，箔片會與軸頸發(fā)生摩擦，不可避免地產(chǎn)生磨損。而當(dāng)箔片磨損超過其厚度的25％時(shí)，以及當(dāng)軸桿的磨損超過0.025mm時(shí)，此箔片空氣軸承即已失效。由于傳統(tǒng)的石墨、聚四氟乙烯、MoS2等固體自潤滑材料在溫度高于300℃時(shí)已失去潤滑作用，因此美國NASA格林研究中心于1995～1997年在PS300的基礎(chǔ)上研制成功耐高溫(室溫～650℃)箔片空氣軸承的PS304涂層(美國專利US 5866518)，該涂層為NiCr(80wt％Ni-20wt％Cr)合金基體，包含3種潤滑材料，Cr2O3、Ag和BaF2/CaF2的共晶體(62wt％BaF2-38wt％CaF2)。其中，NiCr合金(占總重量60wt％)提供良好的耐高溫氧化、耐高溫腐蝕性能和基本機(jī)械強(qiáng)度；Cr2O3(占總重量20wt％)不僅可強(qiáng)化涂層的強(qiáng)度，而且可提供有效的高溫潤滑性能(溫度＞500℃)；當(dāng)溫度低于450℃時(shí)，Ag(占總重量10wt％)可提供良好的潤滑性能；當(dāng)溫度大于450℃時(shí)，BaF2/CaF2(占總重量10wt％)可提供良好的潤滑性能。
PS304的加工過程為先將NiCr粉(44～74um)、Cr2O3粉(30～44um)、Ag粉(45～100um)和共晶BaF2/CaF2(約50um)粉末混合后再用等離子噴涂到軸頸上，其加工過程如圖1所示。圖2為格林研究中心研制的PS304涂層剖面掃描電鏡照片，圖中顯示涂層的組織粗大、不均勻并且有較多的孔隙。圖3為PS304涂層在540℃退火150小時(shí)后的掃描電鏡照片，圖中表明Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子均處于微米數(shù)量級，且分布不均勻。
從材料學(xué)科的角度分析，上述PS304涂層的組織并不理想。對于使用厚度約為100～200um的涂層，形狀不規(guī)則且長度遠(yuǎn)大于10um的Ag、Cr2O3、BaF2/CaF2造成涂層組織的嚴(yán)重不均勻。這種不均勻的涂層易造成不均勻的潤滑作用，微米級的Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子易過早地被剝離脫落而失去潤滑作用，且不均勻的Cr2O3造成NiCr基體的強(qiáng)度和硬度的不均勻，產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，易導(dǎo)致涂層局部或整體的破壞。然而，當(dāng)涂層中自潤滑相尺寸達(dá)到納米級且分布均勻時(shí)，納米結(jié)構(gòu)涂層的耐摩擦磨損性能、熱學(xué)性能以及力學(xué)性將能得到不同程度的提高。因此，如果大幅度細(xì)化自潤滑顆粒的尺寸并使之分布均勻，可使PS304涂層的性能得到明顯的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層及其制備方法，該方法大幅度細(xì)化涂層中的自潤滑顆粒，使Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子由微米數(shù)量級細(xì)化至納米數(shù)量級，以提高涂層的潤滑性能及強(qiáng)度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層，其特征在于，該涂層所包含的重量比成分為Ni47％～49％，Cr11％～13％，Cr2O318％～22％，BaF25％～7％，CaF22％～4％，余量為Ag。
實(shí)現(xiàn)上述箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層的制備方法，其特征在于，其制備方法包括以下步驟1)涂層的重量比配方Ni47％～49％、Cr11％～13％、Cr2O318％～22％、BaF25％～7％、CaF22％～4％、余量為Ag；2)采用高能球磨機(jī)對上述配方中的純度大于99.9％、粒度為100um～200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2、Ag粉體進(jìn)行球磨5小時(shí)～8小時(shí)，使上述粉末均勻混合成粒度小于100nm的復(fù)合納米粉末；3)將獲得的復(fù)合納米粉末采用等離子噴涂法在箔片空氣軸承的軸頸上進(jìn)行噴涂，獲得Cr2O3和BaF2/CaF2顆粒小于200nm且分布均勻的納米復(fù)合潤滑涂層；4)最后將納米復(fù)合潤滑涂層在500℃～600℃大氣環(huán)境下保溫15～20小時(shí)。
本發(fā)明采用100～200um的粉末為原料，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，高能球磨后粉末粒度小于100um，等離子噴涂時(shí)粉末流動(dòng)性好，不會阻塞管道與噴嘴。而現(xiàn)有的PS304噴涂技術(shù)采用小于100um的粉體，成本高，且容易阻塞管道與噴嘴。
因納米粉體的熔點(diǎn)較微米粉體的熔點(diǎn)有較大的降低，故等離子噴涂時(shí)所需的電壓、電流也較??；并且用納米粉體進(jìn)行噴涂時(shí)，粉體的沉積率有20％的提高，所以用納米粉體進(jìn)行噴涂可進(jìn)一步降低成本。
經(jīng)等離子噴涂后，本發(fā)明的涂層內(nèi)納米級的自潤滑相Cr2O3、BaF2和CaF2顆粒小于200nm，且均勻分布在NiCr基體中，而現(xiàn)有的PS304涂層自潤滑相為微米級分布，且分布不均勻。
納米復(fù)合耐高溫涂層的性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的PS304涂層。使用Al2O3、AlCu4、Ni基硬質(zhì)合金與本發(fā)明的涂層進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明的涂層在室溫～350℃時(shí)，磨損量比現(xiàn)有的PS304涂層降低30％，而在350～650℃時(shí)，磨損量降低20％。


圖1是美國專利US 5866518的PS304涂層加工過程圖片，其中(a)為底切，(b)為噴沙，(c)為噴涂(d)為表面處理；圖2為PS304涂層縱剖面圖片；圖3為PS304涂層在450℃運(yùn)行150小時(shí)后掃描電鏡照片；圖4為本發(fā)明制備的復(fù)合粉末的透射電鏡照片；圖5為現(xiàn)有技術(shù)制備的BaF2/CaF2粉末照片；圖6為高能球磨粉料噴涂后的涂層顆粒比較細(xì)小的涂層表面形貌圖片；圖7為簡單混合粉料噴涂后的涂層粗糙且有深坑的涂層表面形貌圖片；圖8為簡單混合粉體噴涂后Ag大面積熔化，造成成分的嚴(yán)重偏析的涂層形貌圖片。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合發(fā)明人給出的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實(shí)施例按照上述技術(shù)方案，本實(shí)施例的箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層所包含的重量比成分為Ni為48％，Cr為12％，Cr2O3為20％，BaF2為6％，CaF2為4％，余量為Ag其制備方法是①將上述純度均大于99.9％、粒度為100～200um的Ni粉、Cr粉、Cr2O3粉、BaF2粉、CaF2粉、Ag粉在高能球磨機(jī)中球磨5小時(shí)～8小時(shí)，使上述粉末均勻混合成粒度小于100nm的復(fù)合粉末(即每個(gè)顆粒內(nèi)均含有上述成分)。圖4為本發(fā)明制備的復(fù)合粉末的透射電鏡照片，由圖可知，復(fù)合粉末的粒度小于100nm。而現(xiàn)有的技術(shù)是將上述粉末簡單混合(所用粉末的粒度前面已述)，且只控制BaF2/CaF2粉末的形狀及大小，要求使用球狀粉末。圖5為現(xiàn)有技術(shù)制備的BaF2/CaF2粉末照片，其中球狀粉末的制備成本極高。這是本發(fā)明不同于現(xiàn)有PS304制粉技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)明點(diǎn)之一。
②將高能球磨的復(fù)合粉末用等離子噴涂到軸頸上，噴涂參數(shù)如下表1所示。由于納米粉體的熔點(diǎn)低于微米粉體的熔點(diǎn)，因此噴涂電壓與電流均低于現(xiàn)有的PS304噴涂電壓和電流。軸頸的加工過程與圖1相同。
表一噴涂參數(shù)

本實(shí)施例的經(jīng)高能球磨得到的復(fù)合粉末，噴涂后的涂層孔隙率較低、粒子與粒子結(jié)合面積增大、表面噴濺的液滴也較小，如圖6所示。而用現(xiàn)有的PS304技術(shù)進(jìn)行噴涂，涂層孔隙率較大、有較大的深坑，如圖7所示；且有Ag的大面積融化層，如圖8所示，造成成分分布的不均勻性。
因此，采用本發(fā)明的納米粉末進(jìn)行等離子噴涂，噴涂所需能量有10％的降低；且噴涂沉積率有20％的提高，因此采用本發(fā)明的納米粉末可明顯降低噴涂成本。
③將涂層在500℃～600℃大氣環(huán)境下保溫15～20小時(shí)，可消除涂層中的殘余應(yīng)力、增強(qiáng)粒子與粒子之間和涂層與基底之間的結(jié)合強(qiáng)度，并使固熔于Ni中的Cr以小于100nm的粒度從Ni基體中析出，從而起到析出強(qiáng)化的效果。而現(xiàn)有的熱處理技術(shù)是在650℃退火50小時(shí)消除涂層內(nèi)殘余應(yīng)力且析出微米數(shù)量級Cr顆粒。
經(jīng)過上述加工，獲得自潤滑相(Cr2O3、BaF2/CaF2)和增強(qiáng)相(Cr)以納米數(shù)量級的尺寸均勻分布在NiCr基體中的納米復(fù)合組織，而現(xiàn)有PS304系列等涂層的加工技術(shù)是獲得微米混合組織(如前圖3所示)。這是本發(fā)明不同于現(xiàn)有PS304系列組織的另一關(guān)鍵發(fā)明點(diǎn)(PS304專利未保護(hù)涂層組實(shí)施例)。
采用本發(fā)明的納米粉體進(jìn)行等離子噴涂，由于獲得Cr2O3、BaF2和CaF2顆粒小于200nm且分布均勻的納米復(fù)合潤滑涂層，根據(jù)試驗(yàn)表明，箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層所包含的Ni為47％～49％，Cr為11％～13％，Cr2O3為18％～22％，BaF2為5％～7％，CaF2為2％～4％，余量為Ag是合適的，在上述配方范圍內(nèi)得到的潤滑涂層優(yōu)于現(xiàn)有的PS304涂層；申請人使用現(xiàn)有的箔片空氣軸承采用的Al2O3、AlCu4、Ni基硬質(zhì)合金材料與本發(fā)明的涂層進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明室溫～350℃時(shí)，磨損量比現(xiàn)有的PS304涂層降低30％，而在350～650℃時(shí)，磨損量降低20％，這對于延長箔片軸承的使用壽命、降低維護(hù)費(fèi)用具有重大意義。
權(quán)利要求
1.一種箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層，其特征在于，該涂層所包含的重量比成分為Ni47％～49％，Cr11％～13％，Cr2O318％～22％，BaF25％～7％，CaF22％～4％，余量為Ag。
2.實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層的制備方法，其特征在于，其制備方法包括以下步驟1)涂層的重量比配方Ni47％～49％、Cr11％～13％、Cr2O318％～22％、BaF25％～7％、CaF22％～4％、余量為Ag；2)采用高能球磨機(jī)對上述配方中的純度大于99.9％、粒度為100um～200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2、Ag粉體進(jìn)行球磨5小時(shí)～8小時(shí)，使上述粉末均勻混合成粒度小于100nm的復(fù)合納米粉末；3)將獲得的復(fù)合納米粉末采用等離子噴涂法在箔片空氣軸承的軸頸上進(jìn)行噴涂，獲得Cr2O3和BaF2/CaF2顆粒小于200nm且分布均勻的納米復(fù)合潤滑涂層；4)最后將納米復(fù)合潤滑涂層在500℃～600℃大氣環(huán)境下保溫15～20小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種箔片空氣軸承耐高溫納米復(fù)合潤滑涂層及其制備方法，該涂層所包含的重量比成分為Ni47％～49％，Cr11％～13％，Cr
文檔編號C10M103/00GK1613981SQ20041007307
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者丁春華, 楊志懋, 宋曉平, 虞烈, 張暉, 侯德門, 王一兵, 周敬恩 申請人:西安交通大學(xué)