[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公开说明书
[11]公开号CN 1613981A [43]公开日2005年5月11日
[21]申请号200410073071.0[22]申请日2004.09.13
[21]申请号200410073071.0
[71]申请人西安交通大学
地址710049陕西省西安市咸宁路28号
[72]发明人丁春华 杨志懋 宋晓平 虞烈 张晖 侯
德门 王一兵 周敬恩 [74]专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司代理人李郑建
[51]Int.CI 7C10M 103/06
权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 8 页
[54]发明名称
方法
[57]摘要
本发明公开了一种箔片空气轴承耐高温纳米复
合润滑涂层及其制备方法，该涂层所包含的重量比
成分为：Ni：47％～49％，Cr：11％～13％，Cr 2O
3：18％～22％，BaF 2：5％～7％，CaF 2：2％～4％，
余量为Ag。采用高能球磨机对上述100～200um的Ni、
Cr、Cr 2O 3、BaF 2、CaF 2、Ag粉体进行球磨，获得
粒度小于100nm的纳米复合粉体，用能量较低的喷
涂参数进行等离子喷涂，获得Cr 2O 3、BaF 2和CaF 2
颗粒小于200nm且分布均匀的纳米复合润滑涂层。
在进行摩擦磨损试验时，本发明的涂层在室温～35
0℃时，磨损量比现有的PS304涂层降低30％，而在
350～650℃时，磨损量降低20％。可延长箔片轴承
的使用寿命以及降低维护费用。
200410073071.0权 利 要 求 书第1/1页
1.一种箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层，其特征在于，该涂层
所包含的重量比成分为：Ni：47％～49％，Cr：11％～13％，Cr2O3：18％～22％，BaF2：5％～7％，CaF2：2％～4％，余量为Ag。
2.实现如权利要求1所述的箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层的
制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
1)涂层的重量比配方：
Ni：47％～49％、Cr：11％～13％、Cr2O3：18％～22％、BaF2：5％～7％、CaF2：2％～4％、余量为Ag；
2)采用高能球磨机对上述配方中的纯度大于99.9％、粒度为100u m～
200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2、Ag粉体进行球磨5小时～8小时，使
上述粉末均匀混合成粒度小于100nm的复合纳米粉末；
3)将获得的复合纳米粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上
进行喷涂，获得Cr2O3和BaF2/CaF2颗粒小于200nm且分布均匀的纳米复合润
滑涂层；
4)最后将纳米复合润滑涂层在500℃～600℃大气环境下保温15～20
小时。
200410073071.0说 明 书第1/6页箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于耐高温摩擦磨损材料领域，具体涉及PS300系列及制备技术，特别涉及箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层及其制备方法。 背景技术
目前，箔片空气动压轴承已在高温高速旋转机械中得到了成功的应用，例如空气制冷机、辅助能量单元和各类小型透平压缩机及航空机械上，包括波音747、757、767、DC-10、F-15、F-16以及幻影2000等都采用了箔片空气动压轴承。箔片空气动压轴承技术进步和发展的关键技术之一是高温起停时的润滑。在正常高速运转中，轴承被支撑在由其自身所产生的空气薄膜上，因此不会产生磨损，但在轴的启动以及停止时，箔片会与轴颈发生摩擦，不可避免地产生磨损。而当箔片磨损超过其厚度的25％时，以及当轴杆的磨损超过0.025mm时，此箔片空气轴承即已失效。由于传统的石墨、聚四氟乙烯、MoS2等固体自润滑材料在温度高于300℃时已失去润滑作用，因此美国NASA 格林研究中心于1995～1997年在P S300的基础上研制成功耐高温(室温～650℃)箔片空气轴承的PS304涂层(美国专利：US 5866518)，该涂层为NiCr (80wt％Ni-20wt％Cr)合金基体，包含3种润滑材料，Cr2O3、Ag和BaF2/CaF2的共晶体(62wt％BaF2-38wt％CaF2)。其中，NiCr合金(占总重量：60wt％)提供良好的耐高温氧化、耐高温腐蚀
性能和基本机械强度；Cr2O3(占总重量：20wt％)不仅可强化涂层的强度，而且可提供有效的高温润滑性能(温度＞500℃)；当温度低于450℃时，Ag(占总重量：10wt％)可提供良好的润滑性能；当温度大于450℃时，BaF2/CaF2(占总重量：10wt％)可提供良好的润滑性
P S304的加工过程为先将N i C r粉(44～74u m)、C r2O3粉(30～44u m)、A g粉(45～100u m)和共晶B a F2/C a F2(约50u m)粉末混合后再用等离子喷涂到轴颈上，其加工过程如图1所示。图2为格林研究中心研制的P S304涂层剖面扫描电镜照片，图中显示涂层的组织粗大、不均匀并且有较多的孔隙。图3为PS304涂层在540℃退火150小时后的扫描电镜照片，图中表明Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子均处于微米数量级，且分布不均匀。
从材料学科的角度分析，上述PS304涂层的组织并不理想。对于使用厚度约为100～200u m的涂层，形状不规则且长度远大于10u m的A g、C r2O3、BaF2/CaF2造成涂层组织的严重不均匀。这种不均匀的涂层易造成不均匀的润滑作用，微米级的Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子易过早地被剥离脱落而失去润滑作用，且不均匀的Cr2O3造成NiCr基体的强度和硬度的不均匀，产生较大的残余应力，易导致涂层局部或整体的破坏。然而，当涂层中自润滑相尺寸达到纳米级且分布均匀时，纳米结构涂层的耐摩擦磨损性能、热学性能以及力学性将能得到不同程度的提高。因此，如果大幅度细化自润滑颗粒的尺寸并使之分布均匀，可使PS304涂层的性能得到明显的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层及其制备方法，该方法大幅度细化涂层中的自润滑颗粒，使Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子由微米数量级细化至纳米数量级，以提高涂层的润滑性能及强度。 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，一种箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层，其特征在于，该涂层所包含的重量比成分为：Ni：47％～49％，Cr：11％～13％，Cr2O3：18％～22％，BaF2：5％～7％，CaF2：2％～4％，余量
实现上述箔片空气轴承耐高温纳米复合润滑涂层的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
1)涂层的重量比配方：
Ni：47％～49％、Cr：11％～13％、Cr2O3：18％～22％、BaF2：5％～7％、Ca F2：
2％～4％、余量为Ag；
2)采用高能球磨机对上述配方中的纯度大于99.9％、粒度为100u m～200um的Ni、Cr、Cr2O3、BaF2、CaF2、Ag粉体进行球磨5小时～8小时，使上述粉末均匀混合成粒度小于100nm的复合纳米粉末；
3)将获得的复合纳米粉末采用等离子喷涂法在箔片空气轴承的轴颈上进行喷涂，获得Cr2O3和BaF2/CaF2颗粒小于200nm且分布均匀的纳米复合润滑涂层；
4)最后将纳米复合润滑涂层在500℃～600℃大气环境下保温15～20小时。
本发明采用100～200u m的粉末为原料，具有成本低的优点，高能球磨后粉末粒度小于100um，等离子喷涂时粉末流动性好，不会阻塞管道与喷嘴。而现有的PS304喷涂技术采用小于100um的粉体，成本高，且容易阻塞管道与喷嘴。
因纳米粉体的熔点较微米粉体的熔点有较大的降低，故等离子喷涂时所需的电压、电流也较小；并且用纳米粉体进行喷涂时，粉体的沉积率有20％的提高，所以用纳米粉体进行喷涂可进一步降低成本。
经等离子喷涂后，本发明的涂层内纳米级的自润滑相Cr2O3、BaF2和CaF2颗粒小于200nm，且均匀分布在NiCr基体中，而现有的PS304涂层自润滑相为微米级分布，且分布不均匀。
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