镍基宽温域自润滑涂层的制备及摩擦学性能研究

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镍基宽温域自润滑涂层在高温摩擦学领域以其机械强度高、使用温度范围宽、摩擦系数与磨损率低等优点已成为空气箔片轴承等航空、航天高温摩擦部件的首选。本文采用高能球磨结合喷雾干燥造粒技术制备(Ni Cr Mo Al-Ag-Ba F2/Ca F2)镍基复合粉末,采用等离子喷涂在不同喷涂距离制备镍基自润滑涂层,研究了喷涂距离对涂层形貌,结合强度的影响机理,获得涂层最优喷涂距离;研究了宽温域(25-800℃)下涂层的摩擦磨损行为;并研究不同滑动速度、不同实验温度对涂层摩擦学性能的影响。主要研究结果如下:利用喷雾干燥设备改良镍基复合粉末流动性,并对该粉末进行了喷涂距离为50-200 mm范围的测试。测试结果表明,当喷涂距离较近时,会导致粉末融化不充分,速度较低,撞击动能小,无法铺展开来,出现了结合不牢,涂层表面颗粒化严重,同时涂层与等离子焰流近距离接触造成涂层二次烧蚀,对涂层质量造成不良影响;当喷涂距离较远时,粉末飞行时间长,动能不足,粉末过烧,与基体无法形成完全咬合。涂层在60-140 mm范围内喷涂得到的涂层厚度适中,呈现较佳沉积态。通过分析在该范围下涂层的微观形貌、粉末融化状态以及涂层拉伸强度,最终得出喷涂距离为100 mm时,涂层表面空隙及微裂纹较少,涂层致密,结合强度高。因此,确定了镍基宽温域自润滑涂层最优喷涂距离为100mm。利用最优喷涂距离参数,制备镍基自润滑涂层。测试了涂层在25-800℃与Inconel 718配副摩擦磨损性能。研究结果表明:采用高能球磨结合喷雾造粒法制备镍基复合粉末,通过等离子喷涂工艺能够获得由Ni-Cr、Ni3Al、Mo、Ag和Ca F2/Ba F2等相组成的镍基高温自润滑涂层;在载荷10 N的条件下,涂层在25到800℃宽温域范围内具有优异的自润滑特性,平均摩擦系数低于0.25,磨损率在10-55 mm3 N-11 m-1量级;在宽温域范围内,涂层的低摩擦系数和磨损率得益于润滑剂Ag和Ba F2/Ca F2的“析出效应”,以及Ba F2/Ca F2、Ag、Ag2Mo O4、Ni Cr2O4和Ba Mo O4等润滑剂的协同润滑效应。通过测试涂层在不同滑动速度(0.2-1.0 m/s)不同实验温度(25-800℃)的摩擦磨损性能,并结合表面磨痕SEM,对偶销EDS分析以及Raman光谱仪,研究温度、速度对涂层的摩擦学行为的影响。结果表明:在25℃到800℃,涂层的摩擦系数随着温度的增加呈先增加后降低的趋势,400℃时摩擦系数达到最高值0.37;800℃时摩擦系数降至最低值0.17。涂层摩擦系数随滑动速度的增加呈现先降后增的趋势,0.8 m/s时摩擦系数最低,约在0.290.17范围内;1.0 m/s时摩擦系数升高至0.270.2范围内。涂层优异的自润滑性能得益于软金属Ag的低剪切性,以及600800℃范围内Ba F2/Ca F2、Ag与钼酸盐、铬酸盐等高温产物的协同润滑效应。
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