專利名稱：箔片空氣軸承耐高溫納米復合潤滑涂層及其制備方法
技術領域：
本發明屬于耐高溫摩擦磨損材料領域，具體涉及PS300系列及制備技術，特別涉及箔片空氣軸承耐高溫納米復合潤滑涂層及其制備方法。
背景技術：
目前，箔片空氣動壓軸承已在高溫高速旋轉機械中得到了成功的應用，例如空氣制冷機、輔助能量單元和各類小型透平壓縮機及航空機械上，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壓軸承。箔片空氣動壓軸承技術進步和發展的關鍵技術之一是高溫起停時的潤滑。在正常高速運轉中，軸承被支撐在由其自身所產生的空氣薄膜上，因此不會產生磨損，但在軸的啟動以及停止時，箔片會與軸頸發生摩擦，不可避免地產生磨損。而當箔片磨損超過其厚度的25％時，以及當軸桿的磨損超過0.025mm時，此箔片空氣軸承即已失效。由于傳統的石墨、聚四氟乙烯、MoS2等固體自潤滑材料在溫度高于300℃時已失去潤滑作用，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械強度；Cr2O3(占總重量20wt％)不僅可強化涂層的強度，而且可提供有效的高溫潤滑性能(溫度＞500℃)；當溫度低于450℃時，Ag(占總重量10wt％)可提供良好的潤滑性能；當溫度大于450℃時，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小時后的掃描電鏡照片，圖中表明Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子均處于微米數量級，且分布不均勻。
從材料學科的角度分析，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，形狀不規則且長度遠大于10um的Ag、Cr2O3、BaF2/CaF2造成涂層組織的嚴重不均勻。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基體的強度和硬度的不均勻，產生較大的殘余應力，易導致涂層局部或整體的破壞。然而，當涂層中自潤滑相尺寸達到納米級且分布均勻時，納米結構涂層的耐摩擦磨損性能、熱學性能以及力學性將能得到不同程度的提高。因此，如果大幅度細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。
發明內容
本發明的目的是提供一種箔片空氣軸承耐高溫納米復合潤滑涂層及其制備方法，該方法大幅度細化涂層中的自潤滑顆粒，使Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子由微米數量級細化至納米數量級，以提高涂層的潤滑性能及強度。
為了實現上述目的，本發明采取的技術方案是，一種箔片空氣軸承耐高溫納米復合潤滑涂層，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。
實現上述箔片空氣軸承耐高溫納米復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粉體進行球磨5小時～8小時，使上述粉末均勻混合成粒度小于100nm的復合納米粉末；3)將獲得的復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行噴涂，獲得Cr2O3和BaF2/CaF2顆粒小于200nm且分布均勻的納米復合潤滑涂層；4)最后將納米復合潤滑涂層在500℃～600℃大氣環境下保溫15～20小時。
本發明采用100～200um的粉末為原料，具有成本低的優點，高能球磨后粉末粒度小于100um，等離子噴涂時粉末流動性好，不會阻塞管道與噴嘴。而現有的PS304噴涂技術采用小于100um的粉體，成本高，且容易阻塞管道與噴嘴。
因納米粉體的熔點較微米粉體的熔點有較大的降低，故等離子噴涂時所需的電壓、電流也較小；并且用納米粉體進行噴涂時，粉體的沉積率有20％的提高，所以用納米粉體進行噴涂可進一步降低成本。
經等離子噴涂后，本發明的涂層內納米級的自潤滑相Cr2O3、BaF2和CaF2顆粒小于200nm，且均勻分布在NiCr基體中，而現有的PS304涂層自潤滑相為微米級分布，且分布不均勻。
納米復合耐高溫涂層的性能明顯優于現有的PS304涂層。使用Al2O3、AlCu4、Ni基硬質合金與本發明的涂層進行摩擦磨損試驗數據表明，本發明的涂層在室溫～350℃時，磨損量比現有的PS304涂層降低30％，而在350～650℃時，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℃運行150小時后掃描電鏡照片；圖4為本發明制備的復合粉末的透射電鏡照片；圖5為現有技術制備的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，造成成分的嚴重偏析的涂層形貌圖片。
具體實施例方式
以下結合發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
實施例按照上述技術方案，本實施例的箔片空氣軸承耐高溫納米復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粉在高能球磨機中球磨5小時～8小時，使上述粉末均勻混合成粒度小于100nm的復合粉末(即每個顆粒內均含有上述成分)。圖4為本發明制備的復合粉末的透射電鏡照片，由圖可知，復合粉末的粒度小于100nm。而現有的技術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為現有技術制備的BaF2/CaF2粉末照片，其中球狀粉末的制備成本極高。這是本發明不同于現有PS304制粉技術的關鍵發明點之一。
②將高能球磨的復合粉末用等離子噴涂到軸頸上，噴涂參數如下表1所示。由于納米粉體的熔點低于微米粉體的熔點，因此噴涂電壓與電流均低于現有的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
本實施例的經高能球磨得到的復合粉末，噴涂后的涂層孔隙率較低、粒子與粒子結合面積增大、表面噴濺的液滴也較小，如圖6所示。而用現有的PS304技術進行噴涂，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，采用本發明的納米粉末進行等離子噴涂，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℃大氣環境下保溫15～20小時，可消除涂層中的殘余應力、增強粒子與粒子之間和涂層與基底之間的結合強度，并使固熔于Ni中的Cr以小于100nm的粒度從Ni基體中析出，從而起到析出強化的效果。而現有的熱處理技術是在650℃退火50小時消除涂層內殘余應力且析出微米數量級Cr顆粒。
經過上述加工，獲得自潤滑相(Cr2O3、BaF2/CaF2)和增強相(Cr)以納米數量級的尺寸均勻分布在NiCr基體中的納米復合組織，而現有PS304系列等涂層的加工技術是獲得微米混合組織(如前圖3所示)。這是本發明不同于現有PS304系列組織的另一關鍵發明點(PS304專利未保護涂層組實施例)。
采用本發明的納米粉體進行等離子噴涂，由于獲得Cr2O3、BaF2和CaF2顆粒小于200nm且分布均勻的納米復合潤滑涂層，根據試驗表明，箔片空氣軸承耐高溫納米復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，在上述配方范圍內得到的潤滑涂層優于現有的PS304涂層；申請人使用現有的箔片空氣軸承采用的Al2O3、AlCu4、Ni基硬質合金材料與本發明的涂層進行摩擦磨損試驗，試驗數據表明室溫～350℃時，磨損量比現有的PS304涂層降低30％，而在350～650℃時，磨損量降低20％，這對于延長箔片軸承的使用壽命、降低維護費用具有重大意義。
權利要求
1.一種箔片空氣軸承耐高溫納米復合潤滑涂層，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.實現如權利要求1所述的箔片空氣軸承耐高溫納米復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粉體進行球磨5小時～8小時，使上述粉末均勻混合成粒度小于100nm的復合納米粉末；3)將獲得的復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行噴涂，獲得Cr2O3和BaF2/CaF2顆粒小于200nm且分布均勻的納米復合潤滑涂層；4)最后將納米復合潤滑涂層在500℃～600℃大氣環境下保溫15～20小時。
全文摘要
本發明公開了一種箔片空氣軸承耐高溫納米復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 優先權日2004年9月13日
發明者丁春華, 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