一种等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末及其制备方法与应用 (BaCrO-containing material for plasma spraying4Wear-resistant self-lubricating composite powder and preparation method and application thereof ) 是由 牛少鹏 杨焜 王超 黄益聪 苏威铭 张吉阜 刘敏 戴红亮 曾威 邓畅光 邓春明 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种等离子喷涂用含BaCrO-4耐磨自润滑复合粉末及其制备方法与应用。本发明的耐磨自润滑复合粉末包括以下重量百分比的组分：耐磨相85-95％和润滑相5-15％；所述耐磨相为Al-2O-3、Cr-2O-3或ZrO-2,所述润滑相为BaCrO-4。所述耐磨自润滑复合粉末是通过筛分、机械混合获得,可应用在刷式封严转子跑道涂层中。所述刷式封严转子跑道涂层是采用等离子喷涂方法在转子跑道表面制备包含NiAl、NiCr或MCrAlY(M为Ni或Co)中间层和含BaCrO-4耐磨自润滑面层双层结构的涂层。本发明所涉及的复合粉末及涂层的制备方法,成本低,简单易操作,有利于获得组织均匀以及性能良好的刷式封严跑道涂层。(The invention discloses a BaCrO-containing coating for plasma spraying 4 Wear-resistant self-lubricating composite powder and a preparation method and application thereof. The wear-resistant self-lubricating composite powder comprises the following components in percentage by weight: 85-95% of wear-resistant phase and 5-15% of lubricating phase; the wear-resistant phase is Al 2 O 3 、Cr 2 O 3 Or ZrO 2 The lubricating phase is BaCrO 4 . The wear-resistant self-lubricating composite powder is obtained by screening and mechanical mixing and can be applied to a brush type sealing rotor track coating. The brush type sealing rotor runway coating is prepared by preparing an intermediate layer containing NiAl, NiCr or MCrAlY (M is Ni or Co) and a coating containing BaCrO on the surface of a rotor runway by adopting a plasma spraying method 4 The wear-resistant self-lubricating surface layer is a double-layer structure coating. The preparation method of the composite powder and the coating has the advantages of low cost, simplicity and easiness in operation, and is beneficial to obtaining the brush type sealing runway coating with uniform tissue and good performance.)
技术领域
本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及一种等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末及其制备方法与应用。
背景技术
刷式封严是一种接触式高速动柔性密封，其泄漏量仅有传统篦齿封严泄漏量的20％，具有优异的密封性能。刷式封严更大的优势体现在动密封工况下，由于刷式封严与转子件接触面是由许多根细小的刷丝组成，而且刷丝与转子存在一定倾斜角度，使得刷丝起到无数个小弹簧的作用，可以有效克服因直接长时间与转子碰磨后而导致的密封件与转子间密封间隙的永久性增大的问题。此外，基于保护跑道和刷丝考虑，一般会在转子跑道表面制备一层具有耐磨减摩作用的涂层，其中涂层中耐磨相是用于降低转子磨损，而润滑相则会降低涂层摩擦系数，减轻对摩刷丝的磨损，进而提高刷式封严的使用寿命。
刷式封严技术是国外在上世纪80年代开始应用于航空发动机上。经数十年发展，目前国外刷式封严技术已相当成熟，被广泛应用于大型客机、战斗机和其他飞行器的发动机中。以普惠公司的PW4000系列发动机为例，该系列型号已通过了3000次启停续航周期，期间刷式封严的径向间隙不超过0.051mm，而刷式封严跑道涂层的寿命也已超过10000小时。此外，在工业燃机、火电厂汽轮机等工业涡轮上，国外也逐步开始应用上刷式封严。
国内刷式封严研究主要集中在航空发动机领域，但由于刷式封严结构设计的不成熟、机理研究的不深入、刷丝与跑道匹配性研究的缺少，造成国内发动机刷式封严技术水平仍处于起步阶段。而对于转子跑道上的耐磨自润滑涂层仍存在材料体系较单一、价格昂贵、可靠性低以及寿命不长等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末，该复合粉末成本低，简单易得，有利于获得组织均匀以及性能良好的刷式封严跑道涂层。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末，包括以下重量百分比的组分：耐磨相85-95％和润滑相5-15％；所述耐磨相为Al2O3、Cr2O3或ZrO2，所述润滑相为BaCrO4。本发明选用BaCrO4作为润滑相，并优化其含量，制备得到的复合粉末用于刷式封严转子跑道涂层时，能够有效改善涂层的自润滑性能。
本发明还提供了上述等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末的制备方法，将BaCrO4原始粉末进行干燥处理，对干燥后粉末进行筛分处理以获得粒径为300目以下的粉末，并按比例与Al2O3、Cr2O3或ZrO2原始粉末进行机械混合，得到所述复合粉末。本发明的复合粉末是通过筛分、机械混合方法获得，该方法简单，易操作，可控性强，具有低成本优势。
优选地，所述BaCrO4原始粉末为纳米团聚粉末；所述Al2O3原始粉末的粒径范围为5-22μm，Cr2O3原始粉末的粒径范围分别为5-30μm，ZrO2原始粉末的粒径范围为15-45μm。
优选地，所述干燥处理是在80-120℃烘烤4-6h。
优选地，所述筛分处理选用超声振动筛进行筛分，更优选地，筛分处理的具体步骤为：先采用150目筛网振动筛分1-2h，超声频率为1200Hz，再将筛分后粉末放入300目筛网振动筛分2-4h获得300目以下粉末，超声频率为1200Hz，有利于获得独立分散的纳米级BaCrO4粉末。
优选地，所述粉末机械混合时间为12-24h，有利于获得由纳米BaCrO4颗粒围绕Al2O3、Cr2O3或ZrO2陶瓷颗粒表面的复合粉末，提高了复合粉末中耐磨相与润滑相的分布均匀性。
本发明还提供了上述等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末在刷式封严转子跑道涂层中的应用。
本发明还提供了一种刷式封严转子跑道涂层的制备方法，采用等离子喷涂方法在刷式封严转子跑道部件表面制备包含中间层和含BaCrO4耐磨自润滑面层的双层结构涂层，其中，含BaCrO4耐磨自润滑面层的材料采用上述等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末。该方法可控性强，生产效率和成品率高，有利于制备组织均匀以及性能良好的耐磨自润滑涂层。
优选地，所述刷式封严转子跑道的材料为高温合金或不锈钢。
优选地，所述中间层的材料为NiAl、NiCr或MCrAlY合金粉末，M为Ni或Co。
优选地，采用等离子喷涂方法制备中间层，且等离子喷涂条件具体为：电流为580-640A，氩气流量为42-50L/min，氢气流量为7-12L/min，送粉量为18-25g/min，载气量为2-4L/min，喷涂距离为100-140mm，有利于获得组织均匀的涂层。
优选地，采用等离子喷涂方法制备含BaCrO4耐磨自润滑面层，且等离子喷涂条件具体为：电流为600-650A，氩气流量为40-50L/min，氢气流量为8-12L/min，送粉量为25-35g/min，载气量为3-5L/min，喷涂距离为110-150mm，有利于获得组织均匀的涂层。
优选地，在等离子喷涂所述中间层之前，还对所述刷式封严转子跑道部件的待处理表面进行前处理；所述前处理包括对所述刷式封严转子跑道部件的待处理表面进行脱脂除油处理和粗化处理。
优选地，所述粗化处理的喷砂条件为：喷砂压力为0.3-0.5MPa，喷砂距离为60-100mm，喷砂机的喷嘴轴向方向与刷式封严跑道部件待喷涂面保持60°-90°的夹角。
优选地，喷砂过程中所用的砂粒材料包括白刚玉、棕刚玉和锆刚玉中的至少一种，更优选地，砂粒材料的粒度为24-46#。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)在材料设计上，本发明采用在宽温域(300-1000℃)下减摩性能优良的BaCrO4作为润滑相，有效改善所获得涂层的自润滑性能。
(2)在刷式封严转子跑道涂层制备中，通过在含BaCrO4耐磨自润滑涂层与待处理表面之间设置中间层，有效改善了基体合金材料与含BaCrO4耐磨自润滑材料之间的不相容性，减小了喷涂过程中产生的热残余应力，提高了涂层与基体的结合强度和涂层的使用温度。
(3)本发明所涉及的粉末及涂层制备方法，成本低，简单易操作，有利于获得组织均匀以及性能良好的刷式封严跑道涂层。
附图说明
图1为本申请实施例1提供的Al2O3-5wt.％BaCrO4耐磨自润滑复合粉末SEM图；
图2为本申请实施例2提供的Cr2O3-10wt.％BaCrO4耐磨自润滑复合粉末SEM图；
图3为本申请实施例3提供的ZrO2-15wt.％BaCrO4耐磨自润滑复合粉末SEM图；
图4为本申请实施例1、2、3提供的含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末XRD图；
图5为本申请实施例4、5、6提供的具有涂层的刷式封严转子跑道的剖面结构示意图，图中，1-刷式封严转子跑道；2-双层结构涂层；
图6为本申请实施例4中刷式封严转子跑道涂层的截面SEM图；
图7为本申请实施例5中刷式封严转子跑道涂层的截面SEM图；
图8为本申请实施例6中刷式封严转子跑道涂层的截面SEM图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本实施例的Al2O3-5wt.％BaCrO4复合粉末的制备方法，包括以下步骤：
S1.将BaCrO4纳米团聚粉末放置于80℃烘箱中干燥处理4h；
S2.采用150目筛网在1200Hz超声频率下对干燥后BaCrO4纳米团聚粉末振动筛分2h，再采用300目筛网对上述筛分后粉末在1200Hz超声频率下振动筛分4h；
S3.将筛分后BaCrO4粉末与粒径5-22μm的Al2O3原始粉末按重量比5：95混合，采用滚筒式机械混合12h。
本实施例所得的Al2O3-5wt.％BaCrO4复合粉末的SEM形貌图和XRD图谱分别如图1和图4所示，结果显示有分散的纳米BaCrO4颗粒吸附在Al2O3颗粒表面，纳米BaCrO4与Al2O3颗粒整体分布较均匀。BaCrO4与Al2O3成分比例与XRD衍射峰比例一致。
实施例2
本实施例的Cr2O3-10wt.％BaCrO4复合粉末的制备方法，包括以下步骤：
S1.将BaCrO4纳米团聚粉末放置于120℃烘箱中干燥处理6h。
S2.采用150目筛网在1200Hz超声频率下对干燥后BaCrO4纳米团聚粉末振动筛分2h，再采用300目筛网对上述筛分后粉末在1200Hz超声频率下振动筛分4h；
S3.将筛分后BaCrO4粉末与粒径5-30μm的Cr2O3原始粉末按重量比10：90混合，采用滚筒式机械混合24h。
所得的Cr2O3-10wt.％BaCrO4复合粉末的SEM形貌图和XRD图谱分别如图2、图4所示，结果显示纳米团聚的BaCrO4粉末发生显著分散，纳米级BaCrO4颗粒围绕在Cr2O3颗粒表面，纳米BaCrO4与Cr2O3颗粒整体分布更加均匀。BaCrO4与Cr2O3成分比例与XRD衍射峰比例一致。
实施例3
本实施例的ZrO2-15wt.％BaCrO4复合粉末的制备方法，包括以下步骤：
S1.将BaCrO4纳米团聚粉末放置于100℃烘箱中干燥处理5h。
S2.采用150目筛网在1200Hz超声频率下对干燥后BaCrO4纳米团聚粉末振动筛分2h，再采用300目筛网对上述筛分后粉末在1200Hz超声频率下振动筛分3h；
S3.将筛分后BaCrO4粉末与粒径15-45μm的ZrO2原始粉末按重量比15：85混合，采用滚筒式机械混合18h。
所得的ZrO2-15wt.％BaCrO4复合粉末的SEM形貌图和XRD图谱分别如图3、图4所示，结果显示纳米团聚的BaCrO4粉末发生显著分散，纳米级BaCrO4颗粒大部分出现在球形ZrO2粉末的表面孔隙中，少量存在于ZrO2粉末光滑表面上，纳米BaCrO4与ZrO2颗粒整体分布也较为均匀。BaCrO4与ZrO2成分比例与XRD衍射峰比例一致。
实施例4
本实施例提供了刷式封严转子跑道(如图5所示)表面等离子喷涂NiAl+Al2O3-5wt.％BaCrO4双层结构涂层的制备方法，该涂层通过以下步骤制作而成：
S1.前处理：将1Cr11Ni2W2MoV不锈钢转子跑道脱脂除油，喷涂面采用锆刚玉喷砂粗化，砂粒粒度为46#，喷砂压力为0.45MPa，喷砂距离为130mm，用压缩空气吹掉残留的砂粒或粉尘。
S2.NiAl中间层喷涂：喷涂距离为120mm，等离子喷枪电流为620A，氩气流量为45L/min，氢气流量为8L/min，送粉量为20g/min，载气量为2.7L/min，中间层厚度为50-80μm。
S3.Al2O3-5wt.％BaCrO4面层喷涂：采用实施例1的Al2O3-5wt.％BaCrO4复合粉末，喷涂距离为110mm，等离子喷枪电流为650A，氩气流量为40L/min，氢气流量为11L/min，送粉量为30g/min，载气量为3.5L/min，面层厚度为300-400μm。
本实施例所得的NiAl+Al2O3-5wt.％BaCrO4双层结构涂层的截面形貌SEM图如图6所示，结果显示NiAl中间层与基体结合紧密，NiAl与Al2O3-5wt.％BaCrO4界面起伏明显，显示出较高的结合力；中间层与面层内部均呈现典型的喷涂粒子充分熔化后层状组织结构，显示出较好的涂层内聚结合；面层中BaCrO4以条带状分布于涂层中，且其分布较为均匀。
实施例5
本实施例提供了刷式封严转子跑道表面等离子喷涂NiCr+Cr2O3-10wt.％BaCrO4双层结构涂层的制备方法，主要通过以下步骤制作而成：
S1.前处理：将GH4169高温合金转子跑道脱脂除油，喷涂面采用锆刚玉喷砂粗化，砂粒粒度为24#，喷砂压力为0.3MPa，喷砂距离为110mm，用压缩空气吹掉残留的砂粒或粉尘。
S2.NiCr中间层喷涂：喷涂距离为130mm，等离子喷枪电流为630A，氩气流量为43L/min，氢气流量为9L/min，送粉量18g/min，载气量为3.0L/min，中间层厚度为40-60μm。
S3.Cr2O3-10wt.％BaCrO4面层喷涂：采用实施例2的Cr2O3-10wt.％BaCrO4复合粉末，喷涂距离为130mm，等离子喷枪电流为650A，氩气流量为42L/min，氢气流量为10L/min，送粉量为25g/min，载气量4L/min，面层厚度为300-400μm。
本实施例所得的NiCr+Cr2O3-10wt.％BaCrO4双层结构涂层的截面形貌金相图如图7所示，结果显示NiCr中间层与基体、Cr2O3-10wt.％BaCrO4面层结合紧密，具有较高的结合力；中间层与面层内部均呈现典型的喷涂粒子充分熔化后层状组织结构，显示出较好的涂层内聚结合；面层中BaCrO4也以条带状分布于涂层中，且其分布也较为均匀。
实施例6
本实施例提供了刷式封严转子跑道表面等离子喷涂NiCrAlY+ZrO2-15wt.％BaCrO4双层结构涂层的制备方法，主要通过以下步骤制作而成：
S1.前处理：将GH738高温合金转子跑道脱脂除油，喷涂面采用白刚玉喷砂粗化，砂粒粒度为46#，喷砂压力为0.5MPa，喷砂距离为120mm，用压缩空气吹掉残留的砂粒或粉尘。
S2.NiCrAlY中间层喷涂：喷涂距离为110mm，等离子喷枪电流为625A，氩气流量为45L/min，氢气流量为9L/min，送粉量为25g/min，载气量为2.8L/min，中间层厚度为60-100μm。
S3.ZrO2-15wt.％BaCrO4面层喷涂：采用实施例3的ZrO2-15wt.％BaCrO4复合粉末，喷涂距离为130mm，等离子喷枪电流为600A，氩气流量为40L/min，氢气流量为9L/min，送粉量为35g/min，载气量为5L/min，面层厚度为200-300μm。
本实施例所得的NiCrAlY+ZrO2-15wt.％BaCrO4双层结构涂层的截面形貌金相图如图8所示，结果显示NiCrAlY中间层与基体、ZrO2-15wt.％BaCrO4面层结合紧密，具有较高的结合力；中间层与面层内部均呈现典型的喷涂粒子充分熔化后层状组织结构，显示出较好的涂层内聚结合；面层中BaCrO4也以条带状分布于涂层中，且其分布也较为均匀。
试验例1
为便于试验例中涂层性能对比，设置对比例1-3，其中，对比例1的双层结构涂层与实施例4相比，区别在于对比例1的涂层不含BaCrO4成分；对比例2的双层结构涂层与实施例5相比，区别在于对比例2的涂层不含BaCrO4成分；对比例3的双层结构涂层与实施例6相比，区别在于对比例3的涂层不含BaCrO4成分。
对实施例4-6中所制备得到的双层结构涂层与对比例1-3制备的双层结构涂层进行结合强度对比。参照国际标准《热喷涂层粘附力或粘结强度的标准试验方法》(ASTMC633-2013)测定常温下涂层平均结合强度，测试结果如表1所示。
表1结合强度测试结果
由表1结果可知，相较于对比例的涂层，由于润滑相存在，由本发明实施例4-6所提供的制备方法得到的NiAl+Al2O3-5wt.％BaCrO4、NiCr+Cr2O3-10wt.％BaCrO4和NiCrAlY+ZrO2-15wt.％BaCrO4三种双层结构涂层的结合强度有一定下降，但整体仍显示出较高的与基体结合力，能够满足应用需求。
试验例2
对实施例4-6中所制备得到的双层结构涂层与上述对比例1-3制备的双层结构涂层进行显微硬度对比，参照国家标准《金属覆盖层及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验》(GB/T 9790)测定涂层显微强度，测试结果如表2所示。
表2显微硬度测试结果
由表2结果可知，相较于对比例的涂层，由于润滑相存在，由本发明实施例4-6所提供的制备方法得到的NiAl+Al2O3-5wt.％BaCrO4、NiCr+Cr2O3-10wt.％BaCrO4和NiCrAlY+ZrO2-15wt.％BaCrO4三种双层结构涂层的显微硬度有一定下降，但整体仍显示出较高的硬度，能够满足应用需求。
试验例3
对实施例4-6中所制备得到的双层结构涂层与上述对比例1-3制备的双层结构涂层进行球盘式摩擦磨损试验对比，磨球材料为Si3N4，测试温度为500℃，载荷10N，转速300rpm，试验时间45min。测试结果如表3所示。
表3摩擦系数和体积磨损率测试结果
由表3结果可知，相较于对比例的涂层，由于润滑相存在，由本发明实施例4-6所提供的制备方法得到的NiAl+Al2O3-5wt.％BaCrO4、NiCr+Cr2O3-10wt.％BaCrO4和NiCrAlY+ZrO2-15wt.％BaCrO4三种双层结构涂层的摩擦系数均有所降低，显示出较好的减摩作用。实施例涂层的体积磨损率与对比例涂层基本相当，展现出不错的耐磨性能，因此能够满足应用需求。
综上所述，本发明所提供的等离子喷涂用含BaCrO4耐磨自润滑复合粉末采用了在宽温域(300-1000℃)下减摩性能优良的BaCrO4作为润滑相，有效改善所获得涂层的自润滑性能。
本发明所提供的复合粉末制备方法简单，易操作，可控性强，具有低成本优势。本发明通过对纳米团聚的BaCrO4粉末进行两次的超声振动筛分，有利于获得独立分散的纳米级BaCrO4粉末。通过长时间的滚筒式机械混合并结合含氧酸盐与氧化物材料间的吸附特性，可获得由纳米BaCrO4颗粒围绕Al2O3、Cr2O3或ZrO2陶瓷颗粒表面的复合粉末，提高了复合粉末中耐磨相与润滑相的分布均匀性。
本发明所提供的刷式封严转子跑道涂层应用方法可控性强，生产效率和成品率高，有利于制备组织均匀以及性能良好的耐磨自润滑涂层。本发明通过在含BaCrO4耐磨自润滑涂层与待处理表面之间设置中间层，有效改善了基体合金材料与含BaCrO4耐磨自润滑材料之间的不相容性，减小了喷涂过程中产生的热残余应力，使涂层结合强度和显微硬度保持在较高范围内，可满足刷式封严转子跑道涂层的应用需求。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种热防护涂层及其制备方法