微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料及自润滑耐高温镍基合金制备方法技术

本发明专利技术公开微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料及自润滑耐高温镍基合金制备方法，该涂层材料由如下步骤制备得到：对镍基合金进行表面喷砂粗化处理；配置镍基耐磨自润滑涂层原始粉末；采用激光熔覆法将镍基耐磨自润滑涂层原始粉末熔覆在镍基合金表面以得到镍基耐磨自润滑涂层；对上述镍基合金表面熔覆的镍基耐磨自润滑涂层进行打磨抛光形成光滑平整表面，即得到目标涂层材料，表面熔覆有该涂层材料的镍基合金即为自润滑耐高温镍基合金。本发明专利技术可满足室温至极端高温(900～1100℃)的宽温域服役环境的应用要求，适用于极端高温服役环境条件下镍基合金及其它热端部件表面改性和防护。部件表面改性和防护。部件表面改性和防护。

Micro nano double scale ceramic particles composite nickel base wear-resistant and self-lubricating coating material and preparation method of self-lubricating and high temperature resistant nickel base alloy

【技术实现步骤摘要】
微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料及自润滑耐高温镍基合金制备方法


[0001]本专利技术涉及复合镍基材料
具体地说是微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料及自润滑耐高温镍基合金制备方法。

技术介绍

[0002]随着高新技术产业和现代工业的快速发展，更多的机械摩擦副关键部件需要在高温、高负载、高速和特殊环境等具有典型代表意义的极端苛刻工况中进行服役使用，尤其在航空航天工业和高端装备领域应用的高温空气箔片轴承、燃气涡轮密封面、低散热柴油机汽缸活塞环和汽缸壁、各种炉组件、小武器活动组件和武器装备用高温轴承等关键热端部件均涉及到900℃以上甚至到1100℃的氧化、润滑耐磨问题，相关运动件的润滑和耐磨问题更是成为影响整个机械设备高温运动系统可靠性、使用寿命及运行效率的关键因素。对于服役温度超过1000℃的摩擦副材料而言，温度每升高10℃，材料的高温抗氧化、耐磨损、高温持久性等多方面性能都将面临极大挑战，这对材料的高温使用性能提出了更苛刻的要求。因此，研究和发展能够在极端苛刻高温条件下具有优异力学性能稳定性、抗氧化、耐磨自润滑材料与技术对促进我国航空航天和军事工业等高新技术装备制造业的发展具有重大的理论意义和应用价值。
[0003]镍基高温合金具有优异的机械性能、耐腐蚀性能以及耐热性能，在1100℃的高温下表现出微观组织稳定、固溶能力强等特点，被称为“航空发动机的心脏”。镍基高温合金具有的优良高温和低温综合性能，可以在200～1090℃内抵抗多种腐蚀介质的氧化侵蚀，是军工、航空航天、火箭发动机以及燃气涡轮机制造行业极其重要的材料，在现代航空发动机中，镍基高温合金的最高用量可占发动机总质量的50％左右。但是，随着尖端技术的快速发展，镍基高温合金部件的服役环境愈加苛刻；以航空航天技术为例，目前先进航空发动机的燃气进口温度达到1370℃，推力达22余吨，推重比十发动机的涡轮进口温度可达1500℃；绝热柴油发动机轴承衬垫的工作温度可达1000℃，并且在发动机启停和运行阶段要承受室温
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1000℃的温度波动，在此极端高温服役条件下的镍基合金不可避免的发生氧化和摩擦磨损，从而导致合金表层破坏或者整体失效的行为。极端高温服役条件下镍基合金的氧化磨损是航空航天、石油化工、冶金、核电能源、热处理等领域应用亟待改善和解决的关键问题，不仅严重制约着装备的正常使用和服役安全，而且给国民经济发展带来巨大损失。
[0004]现阶段，解决镍基合金在极端高温条件下发生氧化、润滑和磨损失效问题，可行的途径主要有：通过固体润滑技术设计和发展新型具有高温高强度、抗氧化、自润滑耐磨性能的镍基复合涂层材料的方式。然而，为了实现镍基耐磨自润滑涂层高温高强度、抗氧化、自润滑和耐磨损等多功能性，需要在镍基高温合金基体粘结相中添加更高含量的陶瓷增强相和固体润滑相。目前涂层配方体系中的耐磨相和润滑相主要以直接添加的方式通过机械混合到基体相中，但是强化相和润滑相主要为无机物，其热力学参数及结构与合金基体存在较大差异，两者的浸润性和匹配性差，不同的相结构之间因存在明显的结合界面产生应力
集中，同时添加相的团聚和富集易导致涂层出现裂纹或制造缺陷等问题。另外，受到极端高温条件下测试设备和高温合金材料的极限服役温度的限制，在显示有重要工程应用价值的镍基高温自润滑耐磨涂层长期使用温度均在800℃以下，而对于有关能够在极端高温区间(比如900～1100℃)服役的涂层材料的研制和对其氧化、摩擦磨损性能的报道极度缺少。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料及自润滑耐高温镍基合金制备方法，该涂层材料具有高强度、高抗氧化和高耐磨性，能够与镍基合金基体实现良好的冶金结合，显著提高镍基合金表面的硬度、强度、耐磨损和抗氧化等特性，可满足室温至极端高温(900～1100℃)的宽温域服役环境的应用要求，以解决当前可用于极端高温区间工作的镍基合金耐磨自润滑涂层空缺的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，由如下步骤制备得到：
[0008]步骤(1)、对镍基合金进行表面喷砂粗化处理；
[0009]步骤(2)、配置镍基耐磨自润滑涂层原始粉末；
[0010]步骤(3)、采用激光熔覆法将镍基耐磨自润滑涂层原始粉末熔覆在镍基合金表面以得到镍基耐磨自润滑涂层；激光熔覆作用可使镍基耐磨自润滑涂层原始粉末组元间进行原位物理化学反应，具有低成本，工艺流程简单，能耗低，易于实现操作的特点；
[0011]步骤(4)、对步骤(3)中镍基合金表面熔覆的镍基耐磨自润滑涂层进行常规机械打磨抛光形成光滑平整表面，则镍基合金表面上得到的具有光滑平整表面的镍基耐磨自润滑涂层即为微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料；熔覆后得到的高强度、抗氧化、高耐磨和自润滑性能均较优良的微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层的总厚度可以有效控制在0.5～1.5mm之间。
[0012]本专利技术所制备的镍基耐磨自润滑涂层与镍基合金基体呈现冶金结合，且微观结构致密，无裂纹和气孔等缺陷，在室温至极端高温条件具有优异的机械性能、抗氧化和摩擦学性能，对极端高温服役条件下的镍基合金及其它热端部件涂覆此涂层材料可以显著提高使役性能和延长服役寿命，解决镍基合金在工程领域发生高温氧化和磨损失效的问题，满足对极端高温服役环境下的自润滑和耐磨涂层材料的迫切需求。
[0013]上述微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，步骤(1)中，所述镍基合金为Inconel718镍基高温合金。Inconel718高温合金因独特合金成分设计而具有良好的综合性能，即较高的强度、抗蠕变性能和疲劳寿命，尤其是在650℃温度以下，其力学性能具有很好的稳定性；本专利技术的制备方法可以实现复合涂层与Inconel718镍基合金基体的冶金结合，同时通过工艺调控可以实现低的扩散率；在保证涂层和基材之间冶金结合的前提下，实现低的扩散率，可以有效抑制近界面基材成分扩散；而近界面基材成分的扩散会引起涂层组分偏离原始设计以及涂层成分偏析，从而导致涂层出现微观缺陷，使涂层性能下降。
[0014]上述微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，步骤(1)中，利用粒径分布在0.1～1mm的SiO2颗粒喷砂粗化处理后，控制所述镍基合金的表面粗糙度在0.3～0.7μm之间以更好的克服镍基合金基体表面反光率高的问题；选择粒径分布在0.1～1mm的二氧化硅颗粒进行喷砂处理更有利于使得镍基合金表面粗糙度控制在0.3～0.7微米之间，如果
二氧化硅的粒径过小则难以起到粗化处理的目的，使得镍基合金表面具有高的激光折射率，而更加耗能；若粒径过大则会使镍基合金表面粗糙度过高，影响涂层和基材结合界面的形貌，导致界面气孔，裂纹等缺陷的出现。
[0015]上述微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，步骤(2)中，所述镍基耐磨自润滑涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，其特征在于，由如下步骤制备得到：步骤(1)、对镍基合金进行表面喷砂粗化处理；步骤(2)、配置镍基耐磨自润滑涂层原始粉末；步骤(3)、采用激光熔覆法将镍基耐磨自润滑涂层原始粉末熔覆在镍基合金表面以得到镍基耐磨自润滑涂层；步骤(4)、对步骤(3)中镍基合金表面熔覆的镍基耐磨自润滑涂层进行常规机械打磨抛光形成光滑平整表面，则镍基合金表面上得到的具有光滑平整表面的镍基耐磨自润滑涂层即为微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料。2.根据权利要求1所述的微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，其特征在于，步骤(1)中，所述镍基合金为Inconel 718镍基高温合金。3.根据权利要求1所述的微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，其特征在于，步骤(1)中，利用粒径分布在0.1～1mm的SiO2颗粒喷砂粗化处理后，控制所述镍基合金的表面粗糙度在0.3～0.7μm之间。4.根据权利要求1所述的微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，其特征在于，步骤(2)中，所述镍基耐磨自润滑涂层原始粉末的粒径为10～20μm。5.根据权利要求1所述的微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨自润滑涂层材料，其特征在于，步骤(2)中，所述镍基耐磨自润滑涂层原始粉末由钛碳化硅Ti3SiC2粉末和Hastelloy C276镍基合金粉末组成。6.根据权利要求5所述的微纳米双尺度陶瓷颗粒复合镍基耐磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹四龙，周健松，韩永全，陈芙蓉，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：