專利名稱：含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層及制備方法。
背景技術(shù)：
民用及軍用航空飛機(jī)上的起落架作動筒、襟翼滑軌等重要部件常采用低合金超高強(qiáng)鋼或鈦合金來制造，以滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件設(shè)計的強(qiáng)度要求。雖然低合金超高強(qiáng)鋼和鈦合金材料具有良好的比強(qiáng)度，但缺點是具有表面缺口敏感性，由此而引起的表面損傷會影響構(gòu)件的力學(xué)性能。為此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧Φ秃辖鸪邚?qiáng)鋼和鈦合金材料進(jìn)行表面保護(hù)，以提高結(jié)構(gòu)件的使用性能。經(jīng)過科研人員的探索，發(fā)現(xiàn)利用超音速火焰噴涂技術(shù)在這些材料表面制備碳化鎢涂層是一種理想的防護(hù)方案。超音速火焰噴涂技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種高速火焰噴涂技術(shù)，其突出的特點是粒子飛行速度高(可達(dá)700m/s)，加熱溫度低(約為3000°C)，特別適合噴涂加熱后易分解的碳化鎢金屬陶瓷涂層。這種涂層的結(jié)合強(qiáng)度高(彡80Mpa)、密度大(孔隙< 1% )、硬度高(彡HV1000)，因此具有良好的耐磨性倉泛。雖然碳化鎢涂層的耐磨性非常好，但缺點是涂層的摩擦系數(shù)較高，因此摩擦磨損過程中容易產(chǎn)生大量的摩擦熱。由于碳化鎢涂層中存在空洞，并且涂層和基體合金之間具有明顯的界面，所以涂層/基體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能不佳。另外，在摩擦磨損環(huán)境中，涂層和基體的界面處容易造成熱積累，因此將會造成基體的熱損傷，這種熱損傷又會影響基體金屬的力學(xué)性能，使合金的壽命受到影響。因此降低摩擦磨損環(huán)境中的熱積累對涂層和基體的性能穩(wěn)定性來講至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠降低磨削加工中的摩擦力和摩擦熱，減少涂層和基體在使用過程中出現(xiàn)損傷的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層及制備方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層是將碳化鎢鈷鉻粉末和二硫化鑰粉末經(jīng)PVA粘結(jié)后固化的粉末采用超音速火焰噴涂技術(shù)噴涂在低合金超高強(qiáng)鋼或鈦合金材料基體表面而制成，其中碳化鎢鈷鉻和二硫化鑰的重量比為80 90 10 20。所述的碳化鎢鈷鉻粉末的粒度為15-45微米，二硫化鑰粉末的粒度為1-6微米。本發(fā)明提供的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層的制備方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟I)將作為原料的碳化鎢鈷鉻粉末和作為自潤滑相的二硫化鑰粉末在PVA介質(zhì)中混合而粘結(jié)在一起，然后在混料機(jī)中混合6小時；2)將上述混合物在80°C下烘干，保溫4小時而制成碳化鎢鈷鉻和二硫化鑰混合粉；3)將上述烘干后已結(jié)塊的混合粉破碎成粉末并過篩，選取粒徑范圍在15-45微米的混合粉作為噴涂原料；4)以航空煤油為燃料，以氧氣為助燃劑，以氬氣為送粉氣，采用超音速火焰噴涂機(jī)將上述混合粉原料噴涂在已經(jīng)過噴砂處理的低合金超高強(qiáng)鋼或鈦合金材料基體表面而形成厚度為200-300 u m的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層。所述的噴涂過程中航空煤油的流量為23L/h，氧氣流量為55000 slph，氬氣流量為12L/min,噴涂距離為380mm,噴涂速度為300mm/s。所述的低合金超高強(qiáng)鋼或鈦合金材料基體表面噴砂處理選用的介質(zhì)為60目白剛玉，噴砂壓力為0. 6MPa。本發(fā)明提供的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層是在傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻中加入作為自潤滑相的二硫化鑰，并采用PVA將碳化鎢鈷鉻和二硫化鑰混合粘接，烘干后制成混合粉，然后采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備成碳化鎢鈷鉻——二硫化鑰復(fù)合涂層。與傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻涂層相比，本發(fā)明提供的涂層干態(tài)滑動摩擦系數(shù)減少了 22-53%，摩擦磨損過程中的升溫降低了 24-49%，因此有助于減少摩擦磨損過程中涂層的開裂和基體的熱損傷，從而使涂層的質(zhì)量和性能均得以提高。另外，本制備方法簡單、便于操作。


圖I (a)為傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻粉末形態(tài)圖。圖I (b)為實施例I中90 %碳化鎢鈷鉻粉末和10 % 二硫化鑰粉末經(jīng)PVA介質(zhì)混合后再經(jīng)烘干的混合粉形態(tài)圖。圖I (c)為實施例2中85%碳化鎢鈷鉻粉末和15%二硫化鑰粉末經(jīng)PVA介質(zhì)混合后再經(jīng)烘干的混合粉形態(tài)圖。圖I (d)為實施例3中80 %碳化鎢鈷鉻粉末和20 % 二硫化鑰粉末經(jīng)PVA介質(zhì)混合后再經(jīng)烘干的混合粉形態(tài)圖。圖2(a)為傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻粉末涂層橫截面拋光后的SEM圖。圖2 (b)為實施例I中90%碳化鎢鈷鉻粉末和10% 二硫化鑰粉末涂層橫截面拋光后的SEM圖。圖2 (C)為實施例2中85%碳化鎢鈷鉻粉末和15%二硫化鑰粉末涂層橫截面拋光后的SEM圖。圖2 (d)為實施例3中80%碳化鎢鈷鉻粉末和20% 二硫化鑰粉末涂層橫截面拋光后的SEM圖。圖3為傳統(tǒng)的碳化鶴鉆絡(luò)涂層、實施例I中90%碳化鶴鉆絡(luò)粉末和10%_■硫化鑰粉末涂層、實施例2中85%碳化鎢鈷鉻粉末和15%二硫化鑰粉末涂層和實施例3中80%碳化鎢鈷鉻粉末和20 %二硫化鑰粉末涂層干態(tài)滑動磨損過程中的摩擦系數(shù)直方圖。圖4為傳統(tǒng)的碳化鶴鉆絡(luò)涂層、實施例I中90%碳化鶴鉆絡(luò)粉末和10%_■硫化鑰粉末涂層、實施例2中85%碳化鎢鈷鉻粉末和15%二硫化鑰粉末涂層和實施例3中80%碳化鎢鈷鉻粉末和20%二硫化鑰粉末涂層干態(tài)滑動磨損過程中溫度升高值直方圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層及制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例I :本實施例提供的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層的制備方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟
I)將900克TAFA公司生產(chǎn)的粒度為15_45微米的1350VM型碳化鎢鈷鉻(WC-10Co-4Cr)粉末和100克粒度為1_6微米的二硫化鑰(MoS2)粉末在PVA介質(zhì)中混合而粘結(jié)在一起，PVA用量以能夠?qū)⑻蓟Q鉆絡(luò)和_■硫化鑰表面完全潤濕為宜，然后在混料機(jī)中混合6小時；2)將上述混合物在80°C下烘干，保溫4小時而制成碳化鎢鈷鉻和二硫化鑰混合粉；3)將上述烘干后已結(jié)塊的混合粉破碎成粉末并過篩，選取粒徑范圍在15-45微米的篩分作為噴涂原料；4)噴涂前先對低合金超高強(qiáng)鋼或鈦合金材料基體表面進(jìn)行噴砂處理，噴砂選用的介質(zhì)為60目白剛玉,噴砂壓力為0. 6Mpa ;5)以流量為23L/h的航空煤油為燃料，流量為55000slph的氧氣為助燃劑，流量為12L/min的氬氣為送粉氣，在噴涂距離為380mm，噴涂速度為300mm/s的條件下采用超音速火焰噴涂機(jī)將上述噴涂原料噴涂在已經(jīng)過噴砂處理的低合金超高強(qiáng)鋼或鈦合金材料基體表面，控制噴涂次數(shù)，直至形成厚度為200-300 iim的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鶴涂層。實施例2 本實施例中除碳化鎢鈷鉻粉末和二硫化鑰粉末的用量為850克及150克之外，其余條件與實施例I相同。實施例3 本實施例中除碳化鎢鈷鉻粉末和二硫化鑰粉末的用量為800克及200克之外，其余條件與實施例I相同。為了驗證本發(fā)明的效果，本發(fā)明人利用掃描電鏡對上述實施例中涂層制備過程中不同階段原料的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行了觀察，圖I (a)為傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻粉末形態(tài)圖。圖I (b)為實施例I中90%碳化鎢鈷鉻粉末和10%二硫化鑰粉末經(jīng)PVA介質(zhì)混合后再經(jīng)烘干的混合粉形態(tài)圖。圖I (c)為實施例2中85%碳化鎢鈷鉻粉末和15%二硫化鑰粉末經(jīng)PVA介質(zhì)混合后再經(jīng)烘干的混合粉形態(tài)圖。圖I (d)為實施例3中80%碳化鎢鈷鉻粉末和20%二硫化鑰粉末經(jīng)PVA介質(zhì)混合后再經(jīng)烘干的混合粉形態(tài)圖。由圖可見，經(jīng)PVA介質(zhì)混合及干燥后，碳化鶴鉆絡(luò)粉末和_■硫化鑰粉末很好地粘接在一起。圖2(a)為傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻粉末涂層橫截面拋光后的SEM圖。圖2 (b)為實施例I中90%碳化鎢鈷鉻粉末和10%二硫化鑰粉末涂層橫截面拋光后的SEM圖。圖2(c)為實施例2中85%碳化鎢鈷鉻粉末和15%二硫化鑰粉末涂層橫截面拋光后的SEM圖。圖2(d)為實施例3中80%碳化鎢鈷鉻粉末和20%二硫化鑰粉末涂層橫截面拋光后的SEM圖。結(jié)果表明，經(jīng)過超音速火焰噴涂以后，二硫化鑰在碳化鎢鈷鉻基體中呈片狀分布。
另外，本發(fā)明人利用立式磨損試驗機(jī)對由上述實施例制備出的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層在滑動摩擦過程中的干態(tài)摩擦系數(shù)和升溫情況進(jìn)行了分析，并以傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻粉末涂層作為對比。實驗中選用金剛石片為對磨副，試驗機(jī)壓力為40N，線速度為lm/s，試驗時間為300s，摩擦行程為300米。摩擦系數(shù)由試驗機(jī)直接讀出，同時采用試驗機(jī)自帶的測溫裝置記錄摩擦過程中的溫升過程。實驗結(jié)果如圖3、圖4所示，由圖可見，傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻粉末涂層的滑動摩擦系數(shù)為0. 478，滑動磨損中的升溫為28. 89K ;實施例I中90%碳化鎢鈷鉻粉末和10% 二硫化鑰粉末涂層滑動摩擦系數(shù)為
0.372，滑動磨損中的升溫為21. 91K ;實施例2中85%碳化鎢鈷鉻粉末和15% 二硫化鑰粉末涂層的滑動摩擦系數(shù)為0. 258，滑動磨損中的升溫為15. 85K ;實施例3中80%碳化鎢鈷鉻粉末和20%二硫化鑰粉末涂層的滑動摩擦系數(shù)為0. 221，滑動磨損中的升溫為14. 57K。由此可見，本發(fā)明提供的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層的摩擦磨損性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻粉末涂層。
權(quán)利要求
1.一種含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層，其特征在于所述的涂層是將碳化鎢鈷鉻粉末和二硫化鑰粉末經(jīng)PVA粘結(jié)后固化的粉末采用超音速火焰噴涂技術(shù)噴涂在低合金超高強(qiáng)鋼或鈦合金材料基體表面而制成，其中碳化鎢鈷鉻和二硫化鑰的重量比為80 90 10 20。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層，其特征在于所述的碳化鎢鈷鉻粉末的粒度為15-45微米，二硫化鑰粉末的粒度為1-6微米。
3.—種如權(quán)利要求I所述的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層的制備方 法，其特征在于所述的制備方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟 1)將作為原料的碳化鎢鈷鉻粉末和作為自潤滑相的二硫化鑰粉末在PVA介質(zhì)中混合而粘結(jié)在一起，然后在混料機(jī)中混合6小時； 2)將上述混合物在80°C下烘干，保溫4小時而制成碳化鎢鈷鉻和二硫化鑰混合粉； 3)將上述烘干后已結(jié)塊的混合粉破碎成粉末并過篩，選取粒徑范圍在15-45微米的篩分作為噴涂原料； 4)以航空煤油為燃料，以氧氣為助燃劑，以氬氣為送粉氣，采用超音速火焰噴涂機(jī)將上述噴涂原料噴涂在已經(jīng)過噴砂處理的低合金超高強(qiáng)鋼或鈦合金材料基體表面而形成厚度為200-300 u m的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層的制備方法，其特征在于所述的噴涂過程中航空煤油的流量為23L/h，氧氣流量為55000slph，氬氣流量為12L/min,噴涂距離為380mm,噴涂速度為300mm/s。
全文摘要
一種含固體自潤滑相的超音速火焰噴涂碳化鎢涂層及制備方法。涂層是在傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻中加入作為自潤滑相的二硫化鉬，碳化鎢鈷鉻和二硫化鉬的重量比為80～90∶10～20，并采用PVA將碳化鎢鈷鉻和二硫化鉬混合粘接，烘干后制成混合粉，然后采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備成碳化鎢鈷鉻——二硫化鉬復(fù)合涂層。與傳統(tǒng)的碳化鎢鈷鉻涂層相比，本發(fā)明提供的涂層干態(tài)滑動摩擦系數(shù)減少了22-53％，摩擦磨損過程中的升溫降低了24-49％，因此有助于減少摩擦磨損過程中涂層的開裂和基體的熱損傷，從而使涂層的質(zhì)量和性能均得以提高。另外，本制備方法簡單、便于操作。
文檔編號C23C4/10GK102618814SQ20121009981
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者丁坤英, 孫振, 王志平, 程濤濤, 紀(jì)朝輝, 蘇景新, 路鵬程 申請人:中國民航大學(xué)