一种利用陶瓷纳米颗粒增强镍基涂层摩擦学性能的方法与流程

本发明涉及热喷涂技术和表面工程领域，特别涉及一种利用陶瓷纳米颗粒增强镍基涂层摩擦学性能的方法。

背景技术：

nicrbsi自熔性合金是在ni-cr合金的基础上添加b和si元素而制成的，使其表现出优异的性能，如高硬度、熔点低、流动性好等。在喷涂过程中合金中的b元素与cr、ni等元素反应形成cr2b、nib等硬质相弥散在涂层中，对涂层起弥散强化作用，si元素主要固溶于基材中起固溶强化作用，而且cr元素与c形成硬度较高的碳化物，从而使合金的显微硬度和强度大幅提高，同时si和b可以扩大镍基自熔性合金粉末的固-液相温度区间，使粉末在喷涂过程中表现出优异的流动性和润湿性。因此nicrbsi自熔性合金材料是目前极具使用前景的涂层材料之一，被广泛应用于机械设备和零部件表面的修复及长效防护。

随着科学技术的不断发展，纯nicrbsi涂层已无法满足苛刻服役环境中的使用要求，nicrbsi基复合涂层成为发展趋势。中国专利cn107267908a提出一种钻杆接头表面制备nicrbsi-tin梯度复合涂层耐磨带的方法，梯度涂层的原始粉末是nicrbsi粉和ti粉的混合粉末，等离子喷涂制备涂层后经感应重熔处理。该专利所采用添加相不能与nicrbsi基体形成良好的冶金结合，颗粒间结合界面强度低，从而导致涂层在服役过程中容易出现颗粒剥落现象。中国专利cn106399894a提出一种wc-nicrbsi梯度耐磨涂层的制备方法，喷涂材料为wc和nicrbsi复合粉末，涂层的制备方法为大气等离子喷涂。该专利采用的是传统等离子喷涂工艺与常规等离子喷涂粉末，涂层的微观结构达不到本专利的致密度，从而影响制备涂层的耐磨性能。中国专利cn108642434a提出一种zrh2增强镍基复合材料涂层制备方法，涂层原料为zrh2和nicrbsi混合粉，涂层的制备方法为大气等离子喷涂。该专利所采用添加微米级增强相在高温条件下会因晶粒长大而出现涂层性能下降和失效的问题。以上专利通过向nicrbsi基材中添加增强颗粒提高涂层摩擦学性能，仅仅是通过增强颗粒的弥散强化提高涂层硬度以提高耐磨性，对耐磨性的影响有限。

技术实现要素：

本发明的目的是利用陶瓷纳米颗粒在摩擦过程中会发生水解作用，在摩擦表面形成边界润滑陶瓷膜，显著提高复合涂层的耐磨性能的原理，提供了一种利用陶瓷纳米颗粒增强镍基涂层摩擦学性能的方法。

本发明利用陶瓷纳米颗粒增强镍基涂层摩擦学性能的方法，包括如下步骤：

(1)粉末混合

按照镍基涂层的成分配比称取ni60合金粉末和陶瓷纳米颗粒，并将其混合均匀；

(2)涂层制备以步骤(1)所得混合粉末为原料，在喷砂处理的金属基体表面进行大气等离子喷涂处理，制备镍基复合涂层。

进一步的，步骤(1)中，ni60合金粉末的化学成分按重量百分比为：cr:17.59％、b:3.23％、si:4.07％、fe:4.41％、c:0.83％、ni余量。

进一步的，步骤(1)中，镍基涂层的成分配比如下：95wt％ni60合金，5wt％陶瓷纳米颗粒。

进一步的，步骤(1)中，陶瓷纳米颗粒为sic陶瓷纳米颗粒。

进一步的，步骤(1)中，陶瓷纳米颗粒由于其比表面积大、表面活性强，容易出现严重的团聚现象，为了保证陶瓷纳米颗粒和ni60合金粉末混合均匀，将ni60合金粉末加入无水乙醇制成悬浮液，再加入聚乙二醇(peg)作为分散剂，后加入陶瓷纳米颗粒形成分散液，以球料比为10:1、转速为200r/min的球磨参数球磨2h，球磨完毕后，于100℃下干燥10h，再以相同的球磨参数继续球磨1h。

进一步的，步骤(2)中，金属基体包括碳钢、铸铁、铝合金、钛合金等中任意一种。

进一步的，步骤(2)中，喷砂处理的金属基体表面粗糙度为ra7.0-9.0。

具体的，喷砂处理的金属基体表面用无水乙醇清洗，然后采用24目的棕刚玉沙对基材表面进行喷砂处理得到。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1)在水润滑条件下，镍基涂层中的陶瓷纳米颗粒发生水解作用能够在摩擦界面生成一层连续的边界润滑膜，有效隔绝摩擦副与涂层表面的直接接触，对摩擦表面起到了保护作用，从而降低了涂层的磨损，最终使得复合涂层的摩擦学性能显著提高，有效延长基体材料的服役寿命。

2)本发明提供的镍基涂层中陶瓷纳米颗粒与nicrbsi基体形成良好的冶金结合，界面结合强度显著提高，减少了涂层中的孔隙和裂纹等表面缺陷。

3)本发明提供了一种利用陶瓷纳米颗粒增强镍基涂层摩擦学性能的方法，为针对具体服役工况调控纳米涂层结构提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明实施例1sic-nicrbsi复合涂层的xrd图谱。

图2为本发明实施例1sic-nicrbsi复合涂层的截面sem图。

图3为本发明实施例1水润滑条件下sic-nicrbsi复合涂层摩擦界面tem图。

具体实施方式

为了便于对本发明的理解，下面结合附图和具体实例对本发明进一步描述，但本发明的实施方式不限于此，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性改变的前提下所获得的实施成果均属于本发明保护的范围。

本发明利用陶瓷纳米颗粒增强镍基涂层摩擦学性能的方法，在水润滑条件下，实现了复合涂层在摩擦过程中生成一层连续的边界润滑膜的方法，从而提高金属基体的综合使用性能，并能够明显降低金属基体在使用过程中的磨损失效，有效延长基体材料的服役寿命。

本发明所用粉末、仪器设备等均可从市场购得或通过常规方法制备。

实施例1：

1)、所述喷涂用混合粉末的组分(质量百分比)为：ni60合金粉末：95％；sic陶瓷纳米粉末：5％。

2)、sic陶瓷纳米粉末由于其比表面积大、表面活性强，容易出现严重的团聚现象，为了保证sic陶瓷纳米粉末和ni60合金粉末混合均匀，将ni60合金粉末加入无水乙醇制成悬浮液，再加入聚乙二醇(peg)作为分散剂，后加入sic陶瓷纳米粉末形成分散液，以球料比为10:1、转速为200r/min的球磨参数球磨2h，球磨完毕后，于100℃下干燥10h，再以相同的球磨参数继续球磨1h。

3)、将干燥好的混合粉末倒入送粉器中，调节送粉气流使得粉末刚好送入等离子焰流中心。大气等离子喷涂的工艺参数为：喷涂距离为100mm，等离子气流h2流量为4l·min^-1，ar流量为40l·min^-1,电流为516a，电压为50v，喷枪移动速度200mm·s^-1，每次向下移动3mm，重复喷涂4次。最终在喷砂处理的金属基体表面沉积厚度约350-400μm的sic-ni60复合涂层。

4)、将制备得到的sic-ni60复合涂层通过x射线衍射分析(xrd)物相组成。结果如图1所示，sic-ni60复合涂层中nic,cr7c3和cr23c6等硬质相的波峰明显增强，这些硬质相在涂层中起弥散强化作用。

5)、对所制备复合涂层的截面进行扫描电镜(sem)观察，可以明显看出涂层的层状结构，且层间结构结合良好，如图2所示，sic陶瓷纳米颗粒的加入有利于ni60基体晶粒成核，使得sic-ni60复合涂层微观结构的致密度显著提高。

6)、对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中对偶球选用直径为5mm的zro2球，载荷10n，频率4hz，磨痕长度5mm，总摩擦时间2h。结果表明，无润滑条件下，sic-ni60复合涂层的体积磨损率为1.122×10^-5mm³/n·m，低于纯ni60涂层的3.586×10^-5mm³/n·m。而在水润滑条件下，sic-ni60复合涂层的体积磨损率为8.123×10^-7mm³/n·m，远低于纯ni60涂层的6.551×10^-6mm³/n·m。

7)、利用聚焦离子束(fib)技术对水磨试样磨痕表面切割，进行透射电镜(tem)观察，可以看出磨痕表面覆盖一层50nm厚的、连续的边界润滑膜，如图3所示，表明sic陶瓷纳米颗粒在水润滑条件下发生水解形成边界润滑膜覆盖于摩擦表面，对金属基体表面起到了保护作用，降低了金属表面的磨损，显著提高了摩擦副的边界润滑效果。

实施例2：

与实施例1的不同之处在于：步骤1)中的喷涂用混合粉体(质量百分比)为ni45合金粉末：97％；sic陶瓷粉末：3％。为了保证sic陶瓷粉末与ni60合金粉末混合均匀，以实施例1中的步骤2)进行混粉。在步骤6)中，干磨条件下，喷涂的sic-ni60复合涂层的体积磨损率为1.422×10^-5mm³/n·m，低于纯ni60涂层的3.586×10^-5mm³/n·m。而在水润滑条件下，sic-ni60复合涂层的体积磨损率为1.153×10^-6mm³/n·m，远低于纯ni60涂层的6.551×10^-6mm³/n·m。利用聚焦离子束技术对水磨试样磨痕表面切割，进行透射电镜观察，可以看出磨痕表面有一层连续的边界润滑膜。

实施例3：

与实施例1的不同之处在于：步骤1)中的喷涂用混合粉体为ni60合金粉末：95％；tio2陶瓷粉末：5％。为了保证tio2陶瓷粉末与ni60合金粉末混合均匀，以实施例1中的步骤2)进行混粉。在步骤6)中，干磨条件下，喷涂的tio2-ni60复合涂层的体积磨损率为2.133×10^-5mm³/n·m，低于纯ni60涂层的3.586×10^-5mm³/n·m。而在水润滑条件下，tio2-ni60复合涂层的体积磨损率为3.106×10^-6mm³/n·m，远低于纯ni60涂层的6.551×10^-6mm³/n·m。利用聚焦离子束技术对水磨试样磨痕表面切割，进行透射电镜观察，没有观察到连续的边界润滑膜。

实施例4：

与实施例1的不同之处在于：步骤1)中的喷涂用混合粉体(质量百分比)为ni60合金粉末：99％；al2o3陶瓷粉末：5％。为了保证al2o3陶瓷粉末与ni60合金粉末混合均匀，以实施例1中的步骤2)进行混粉。在步骤6)中，干磨条件下，喷涂的al2o3-ni60复合涂层的体积磨损率为2.217×10^-5mm³/n·m，低于纯ni60涂层的3.586×10^-5mm³/n·m。而在水润滑条件下，al2o3-ni60复合涂层的体积磨损率为3.523×10^-6mm³/n·m，远低于纯ni60涂层的6.551×10^-6mm³/n·m。利用聚焦离子束技术对水磨试样磨痕表面切割，进行透射电镜观察，没有观察到连续的边界润滑膜。

实施例5：

与实施例1的不同之处在于：步骤1)中的喷涂用混合粉体(质量百分比)为ni60合金粉末：99％；si4n3陶瓷粉末：5％。为了保证si4n3陶瓷粉末与ni60合金粉末混合均匀，以实施例1中的步骤2)进行混粉。在步骤6)中，干磨条件下，喷涂的si4n3-ni60复合涂层的体积磨损率为2.162×10^-5mm³/n·m，低于纯ni60涂层的3.586×10^-5mm³/n·m。而在水润滑条件下，si4n3-ni60复合涂层的体积磨损率为3.223×10^-6mm³/n·m，远低于纯ni60涂层的6.551×10^-6mm³/n·m。利用聚焦离子束技术对水磨试样磨痕表面切割，进行透射电镜观察，没有观察到连续的边界润滑膜。