论文部分内容阅读
在航空发动机转子轴表面采用热喷涂技术制备高温固体自润滑-耐磨复合涂层,既能降低转子轴的磨损又能减少对磨件的磨损量,满足先进航空发动机刷式封严苛刻工作条件的需要,应用前景广阔。本文通过研制复合粉体,结合多种热喷涂技术成功制备了NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2和NiCr/Cr3C2-BN复合涂层,考察了涂层材料的结构与性能。采用加压氢还原、固态合金化及喷雾造粒技术制备了分开包覆型(FKBC)、低压喷雾造粒型(YLBC)和离心喷雾造粒型(LXBC)NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2喷涂粉末,粉末热喷涂工艺性好、沉积效率高。采用等离子喷涂技术制备了YLBC型和具有不同BaF2·CaF2共晶含量的FKBC涂层,采用超音速火焰喷涂和爆炸喷涂技术分别制备了LXBC型和YLBC型涂层。首次制备出适合等离子喷涂的分开包覆型(FKBN)和低压喷雾造粒型(YLBN)NiCr/Cr3C2-BN粉体,采用等离子喷涂制备相应的FKBN和YLBN涂层。研究发现：
⑴包覆法制备的粉体能有效抑制碳化物在喷涂过程中的脱碳和氧化,明显提高涂层的均匀性和层状颗粒之间的结合。由于相对高速、低温,超音速火焰喷涂和爆炸喷涂技术制备的LXBC型和YLBC型涂层中物相组成几乎与原始粉末一致。而等离子喷涂FKBC和YLBC型涂层中的主要物相与设计粉末相同,还含有少量的氧化物相(Cr2Os、BaCrO4、NiCr2O4)和其它碳化物相(Cr7C3、Cr23C6),且涂层中存在一定数量的纳米晶粒。
⑵NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2复合涂层的结合方式主要是机械结合,还存在部分的冶金-扩散结合。等离子喷涂YLBC型涂层与FKBC型涂层相比显微硬度相当,但YLBC型涂层颗粒扁平化程度高,物相分布更加均匀,结合强度稍高。与等离子喷涂相比,超音速火焰喷涂和爆炸喷涂涂层的孔隙率分别为约1％和1.5％(不到等离子喷涂涂层的1/4)；涂层的结合强度分别可达约55MPa和70MPa,是等离子喷涂涂层的2倍以上。
⑶等离子喷涂FKBC和YLBC型涂层700～900℃抗热震性能良好,10次热循环无开裂脱落,比较适合的基体是碳钢和Ni基高温合金。700℃涂层的氧化动力学基本遵循抛物线规律,YLBC型涂层的抗氧化性高于FKBC型涂层。发现碳化物的氧化是氧气从表面氧化物膜扩散到氧化物.碳化物界面,通过消耗碳化物相本身而形成的。
⑷等离子喷涂不同共晶含量的FKBC型涂层研究表明,BaF2·CaF2共晶含量为10％的涂层具有最佳的摩擦学特性。随着共晶含量的增加,涂层力学性能下降,摩擦学性能恶化。说明只有当固体润滑剂与基体材料的物理化学性能相匹配,才能形成良好的微观结构并获得较好的综合性能。另外,等离子喷涂YLBC型涂层的摩擦学性能优于同BaF2·CaF2共晶含量的FKBC型涂层。两种涂层在高温下均能有效的降低自身及对磨球Si3N4的磨损。爆炸喷涂和超音速火焰喷涂NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2涂层的摩擦系数比等离子喷涂NiCr/Cr3C2-BaF2-CaF2涂层的摩擦系数更低,耐磨性更好。等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2涂层的摩擦系数最低分别可达0.28,0.29和0.23,显著低于不含共晶的NiCr/Cr3C2涂层最低的摩擦系数0.55。三种NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2涂层的磨损率室温明显高于高温时,但都保持在10-5mm3/Nm数量级。与三种NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2涂层对磨时,相同温度条件下Si3N4的磨损率相当,保持在10-6mm3/Nm数量级。
⑸在室温至400℃时,脆性碎片和Cr3C2-BaF2·CaF2剥离颗粒对热喷涂NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2涂层的磨损进程起主导作用。500℃至800℃时,BaF2·CaF2经历脆性到塑性的转变,塑性变形及连续的BaF2·CaF2转移膜、轻微粘着磨损和粘滞流对热喷涂NiCr/Cr3C2一BaF2·CaF2涂层的磨损进程起主导作用。高温摩擦过程自润滑膜的演变规律为润滑膜的生成-破坏-脱落-再生。BaF2·CaF2共晶是一种性能良好的高温固体润滑剂。
⑹FKBN型NiCr/Cr3C2-BN涂层中氧化物相对YLBN型NiCr/Cr3C2-BN涂层要少。FKBN型和YLBN型涂层具有接近的、较高的结合强度和显微硬度。YL,BN涂层物相分布更均匀,孔隙率比FKBN涂层低,两者均具有优良的抗热震性能。YLBN型涂层具有比FKBN型涂层更好的摩擦学特性,其摩擦系数可低至约0.32；以及更低的高温磨损率,仅为FKBN型涂层的50％；对磨球Si3N4的高温磨损也较轻。NiCr/Cr3C2-BN涂层低温下的磨损机理是磨粒磨损和粘着犁削,高温下是粘着和疲劳磨损混合机制,还伴有大量塑性变形和涂层转移到对磨球上。