本發(fā)明涉及的是金屬材料的表面改性，具體地說是船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)船用燃?xì)廨啓C(jī)的快速發(fā)展，現(xiàn)代化艦船對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能要求越來越高。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子是燃?xì)廨啓C(jī)的主要部件之一，用來對(duì)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣增壓，使空氣壓力達(dá)到預(yù)定值。對(duì)于高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子要求其效率高、工作可靠，剛性好、重量輕等。主要體現(xiàn)在以下諸方面：①結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)機(jī)組單位功率質(zhì)量低于1Kg/Kw。②體積小，使用時(shí)可以節(jié)省空間。③起動(dòng)塊，從冷態(tài)起動(dòng)至帶滿負(fù)荷，視機(jī)組功率的大小及結(jié)構(gòu)型式的不同在數(shù)分鐘至半小時(shí)之間，在緊急情況下很多機(jī)組的起動(dòng)時(shí)間可以縮短約一半左右。④運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高，大量機(jī)組可靠性達(dá)99％，即機(jī)組的事故停機(jī)率僅為1％。⑤效率高，現(xiàn)簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)效率最高已達(dá)42.9％，而聯(lián)合循環(huán)機(jī)組效率最高己達(dá)58％，后者是目前各種熱力機(jī)械中所達(dá)到的最高效率值。為了達(dá)到以上諸項(xiàng)要求，要求高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的鼓筒各級(jí)盤之間的鼓筒直徑相同，鼓簡(jiǎn)與盤之間以圓柱面和端面配合定位，通過精密螺栓將它們拉緊，在端面產(chǎn)生摩擦力傳遞扭矩。在提高零件使用效率，節(jié)約材料的原則下，高壓鼓筒采用涂層覆蓋技術(shù)制備氧化物陶瓷涂層起隔熱、耐磨和抗腐蝕的作用，以達(dá)到延長(zhǎng)零部件壽命、防止意外碰摩，提高燃?xì)廨啓C(jī)效率的目的。

等離子弧溫很高，特別適用于噴涂復(fù)合氧化物陶瓷，能夠噴涂具有復(fù)雜形狀的工件，沉積效率高，容易制備厚膜涂層和大面積涂層。因此，采用等離子噴涂技術(shù)在船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒表面制備耐磨的氧化物陶瓷涂層。

等離子噴涂涂層中經(jīng)常出現(xiàn)的氣孔、裂紋以及分層等缺陷會(huì)給涂層性能帶來很多不利的影響。YSZ/Al₂O₃都屬于陶瓷相-脆硬相，具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但韌性不足。研究表明，在涂層失效過程中，纖維的存在可以有效地傳遞、承載外力，并在纖維拔出、脫粘過程中消耗能量，且可以延長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展路徑，從而提高材料的韌性，降低材料的脆性。

陶瓷纖維是一種纖維狀輕質(zhì)耐火材料，使用溫度高、隔熱性能好、高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震性好、不揮發(fā)、無污染等優(yōu)良特性，因而在機(jī)械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、電子等行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷纖維加入涂層中具有明顯增韌效果，纖維增韌的機(jī)制主要包括裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)、纖維脫粘、纖維拔出和纖維橋接，其中纖維拔出為纖維增韌的主要機(jī)制，可以描述為靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出。在此過程中，外應(yīng)力需要克服界面摩擦剪切力做功，使復(fù)合材料的斷裂功增大。纖維拔出會(huì)造成裂紋尖端應(yīng)力松弛從而達(dá)到減緩裂紋擴(kuò)展的目的。

傳統(tǒng)的船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒等離子噴涂氧化物陶瓷耐磨涂層，通常采用氧化鋁陶瓷涂層作為工作層，未考慮到陶瓷涂層在摩擦磨損中存在硬度大，脆性大，但韌性不足的特點(diǎn)，涂層容易在摩擦磨損過程中，涂層內(nèi)部的微裂紋不斷在涂層缺陷處(如孔隙、微裂紋等)或扁平粒子界面處形成并沿著缺陷或界面不斷擴(kuò)展，不同方向的微裂紋相互交錯(cuò)并形成網(wǎng)狀，從而導(dǎo)致涂層的斷裂造成涂層脆性層狀剝落，造成其耐磨性能下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性的涂層。本發(fā)明的目的還在于提供一種提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性的涂層的制備方法。

本發(fā)明的提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性的涂層包括采用等離子噴涂方法噴涂在燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒合金基體上的粘結(jié)層和采用等離子噴涂方法噴涂在粘結(jié)層上的工作層，所述工作層由工作層粉體材料與陶瓷纖維構(gòu)成，工作層粉體材料由YSZ和Al₂O₃制成，工作層的質(zhì)量比組成為18％～80％YSZ粉體、18～80％Al₂O₃粉體和2％～20％陶瓷纖維。

本發(fā)明的提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性的涂層還可以包括：

1、所述陶瓷纖維為SiC纖維、莫來石纖維、YSZ纖維或硅酸鋁纖維。

2、所述YSZ為氧化釔含量為6％～8％mol的氧化釔穩(wěn)定二氧化鋯。

3、所述粘結(jié)層成分為NiCoCrAlY、NiAl或NiCrAlY。

本發(fā)明的提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性的涂層的制備方法為：

(1)對(duì)燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒合金基體進(jìn)行預(yù)處理；

(2)對(duì)陶瓷纖維進(jìn)行預(yù)處理，再按照質(zhì)量比組成為18％～80％YSZ粉體、18～80％Al₂O₃粉體和2％～20％陶瓷纖維的比例混合，對(duì)混合物進(jìn)行球磨處理得到陶瓷復(fù)合粉體；

(3)采用等離子噴涂法在燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒合金基體表面噴涂一層粘結(jié)層；

(4)采用等離子噴涂在粘結(jié)層上繼續(xù)噴涂一層陶瓷復(fù)合工作層。

本發(fā)明的提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性的涂層的制備方法還可以包括：

1、陶瓷纖維的預(yù)處理工藝參數(shù)為：(1)球磨處理，球料比為2：1、球磨速度為350r/min、球磨時(shí)間為10min，(2)超聲分散1h，(3)干燥處理；對(duì)混合物進(jìn)行球磨處理的工藝參數(shù)為：球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時(shí)間為2h；陶瓷復(fù)合粉體的粒徑為20μm～120μm。

2、在進(jìn)行等離子噴涂之前，對(duì)粘結(jié)層材料和陶瓷復(fù)合粉體進(jìn)行干燥，干燥溫度200℃，保溫時(shí)間2h。

3、等離子噴涂粘結(jié)層工藝參數(shù)為：電流570～630A，電壓65～75V，噴涂距離130～150mm，噴涂角度90°，粘結(jié)層厚度為30μm～80μm。

4、等離子噴涂工作層工藝參數(shù)為：電流590～640A，電壓70～78V，噴涂距離100～120mm，噴涂角度90°，工作層的厚度為200μm～300μm。

為了提高等離子噴涂陶瓷涂層的耐磨性，本發(fā)明采用添加陶瓷短纖維解決陶瓷涂層的脆性大韌性不足的問題，在等離子陶瓷涂層中實(shí)現(xiàn)纖維增韌，增大摩擦磨損過程中復(fù)合涂層的斷裂功，減緩陶瓷涂層脆性層片狀剝落，實(shí)現(xiàn)提高耐磨性的目的。選用等離子噴涂技術(shù)制備YSZ/Al₂O₃摻雜陶瓷纖維的復(fù)合涂層，用以提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性。

本發(fā)明中陶瓷纖維可以在復(fù)合涂層中實(shí)現(xiàn)纖維增韌，增大摩擦磨損過程中復(fù)合涂層的斷裂功，減緩陶瓷涂層脆性層片狀剝落，實(shí)現(xiàn)提高耐磨性的目的。其主要作用機(jī)理為：1.裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)，阻礙裂紋的拓展。2.纖維脫粘、纖維拔出和纖維橋接，使復(fù)合涂層的斷裂功增大，造成裂紋尖端應(yīng)力松弛從而減緩裂紋擴(kuò)展。

本發(fā)明包含以下有益效果：

(1)YSZ/Al₂O₃都屬于陶瓷相-脆硬相，韌性不足。摻雜陶瓷纖維后形成復(fù)合材料涂層，陶瓷纖維在復(fù)合涂層中具有一定的增韌效果，降低氧化物陶瓷涂層在摩擦磨損過程中脆性層片狀剝落，提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性。

(2)等離子噴涂制備YSZ/Al₂O₃粉末中摻雜陶瓷纖維的復(fù)合涂層，是一種簡(jiǎn)單實(shí)用性高的方法。

附圖說明

圖1摻雜陶瓷纖維后涂層截面形貌；

圖2摻雜陶瓷纖維后涂層摩擦磨損表面的掃描電鏡圖；

圖3未摻雜陶瓷纖維后涂層摩擦磨損表面的掃描電鏡圖；

圖4摻雜陶瓷纖維和未摻雜陶瓷纖維后涂層摩擦失重對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過將陶瓷纖維的摻雜到Y(jié)SZ/Al₂O₃粉末中形成復(fù)合粉末，制備YSZ/Al₂O₃摻雜陶瓷纖維的復(fù)合涂層。涂層中的陶瓷纖維可以解決在壓氣機(jī)鼓筒實(shí)際工況下，陶瓷涂層存在脆性大韌性不足的特點(diǎn)，容易造成脆性層片狀剝落的問題，改善涂層的耐磨性能。

基體優(yōu)選自：奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼。

粘結(jié)層原始成分為NiCoCrAlY或NiAl或NiCrAlY。

工作層原始材料為YSZ/Al₂O₃。其中YSZ(即：Yttria-Stabilized Zirconia，氧化釔穩(wěn)定二氧化鋯)，氧化釔含量為6％～8％mol。

陶瓷纖維為摻雜的陶瓷纖維為SiC纖維或莫來石纖維或YSZ纖維或硅酸鋁纖維等。

本發(fā)明的用于提高船用燃機(jī)壓氣機(jī)鼓筒耐磨性的涂層的制備方法，它涉及一種基于等離子噴涂技術(shù)制備YSZ/Al₂O₃摻雜陶瓷纖維復(fù)合涂層的方法，包括以下步驟：

(1)合金基體預(yù)處理：使用砂紙將基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進(jìn)行噴砂處理；

(2)復(fù)合粘結(jié)層噴涂材料的制備：將陶瓷纖維經(jīng)球磨處理至合適粒徑，超聲分散，干燥處理；將工作層粉體材料與陶瓷纖維按照一定比例混合后球磨處理，得到復(fù)合粉體；

(3)噴涂粉末預(yù)處理：對(duì)預(yù)噴涂粉末進(jìn)行干燥，保溫溫度200℃，保溫時(shí)間2h；

(4)噴涂粘結(jié)層：采用等離子噴涂法在預(yù)處理過的合金基體表面噴涂一層粘結(jié)層；

(5)噴涂工作層：采用等離子噴涂在噴涂后的粘結(jié)層上繼續(xù)噴涂一層陶瓷復(fù)合涂層即得到完整的涂層體系。

所述步驟2)中球磨制備陶瓷纖維工藝參數(shù)為：球料比為2：1，球磨速度為350r/min，球磨時(shí)間為10min。超聲分散1h，干燥處理。制備摻雜陶瓷纖維的YSZ/Al₂O₃復(fù)合粉末工藝參數(shù)為：球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時(shí)間為2h；陶瓷復(fù)合粉體的粒徑為20μm～120μm。

所述步驟4)中，等離子噴涂制備粘結(jié)層，等離子噴涂工藝參數(shù)為：電流為570～630A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°。

所述步驟5)中，等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂工藝參數(shù)為：電流為590～640A，電壓為70～78V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。

所述耐磨陶瓷涂層體系中，耐磨陶瓷涂層總厚度為230μm～380μm，其中粘結(jié)層厚度為30μm～80μm，陶瓷工作層的厚度為200μm～300μm。

為了證明本發(fā)明的效果，下面舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。

實(shí)施例1

步驟一：使用砂紙將1Cr18Ni9Ti基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進(jìn)行噴砂處理；

步驟二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和莫來石纖維，使用球磨機(jī)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例(0.20:0.76:0.04)混合，制備復(fù)合粉末。莫來石纖維球磨條件為：球料比為2：1，球磨速度為350r/min，球磨時(shí)間為10min。超聲分散1h，干燥處理。制備摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)4％莫來石纖維的YSZ/Al₂O₃復(fù)合粉末，球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時(shí)間為2h；

步驟三：將粘結(jié)層NiCrAlY粉末及步驟二制備復(fù)合粉末分別放入干燥箱進(jìn)行干燥，干燥溫度為200℃，干燥時(shí)間為2h；

步驟四：將步驟三干燥后的粘結(jié)層NiCrAlY粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進(jìn)行等離子噴涂制備粘結(jié)層，等離子噴涂條件為：電流為590～610A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°；

步驟五：將步驟三干燥后的復(fù)合粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進(jìn)行等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂條件為：電流為620～640A，電壓為75～78V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。

圖1為摻雜陶瓷纖維的復(fù)合涂層的截面形貌，陶瓷復(fù)合涂層體系由基體、粘結(jié)層、工作層組成。如圖2所示，得到摻雜了莫來石纖維之后的陶瓷層耐磨性能優(yōu)異，未出現(xiàn)大面積層狀剝落，僅表面出現(xiàn)少量剝落坑，存在輕微的磨粒磨損。

對(duì)比例

在1Cr18Ni9Ti基體上采用與實(shí)施例1同樣的等離子噴涂工藝制備未摻雜莫來石纖維的YSZ/Al₂O₃復(fù)合涂層。包括以下步驟：

步驟一：使用砂紙將1Cr18Ni9Ti基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進(jìn)行噴砂處理；

步驟二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末，使用球磨機(jī)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例(0.20:0.80)混合，制備未摻雜莫來石纖維的YSZ/Al₂O₃復(fù)合粉末末。球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時(shí)間為2h；

步驟三：將粘結(jié)層NiCrAlY粉末及步驟二制備復(fù)合粉末分別放入干燥箱進(jìn)行干燥，干燥溫度為200℃，干燥時(shí)間為2h；

步驟四：將步驟三干燥后的粘結(jié)層NiCrAlY粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進(jìn)行等離子噴涂制備粘結(jié)層，等離子噴涂條件為：電流為570～630A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°；

步驟五：將步驟三干燥后的復(fù)合粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進(jìn)行等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂條件為：電流為620～640A，電壓為75～78V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。

得到耐磨涂層體系性能一般，由于陶瓷工作層沒有摻雜莫來石纖維，如圖3所示，使得涂層在進(jìn)行同樣摩擦磨損試驗(yàn)之后，發(fā)生了大面積脆性層狀剝落。圖4為摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)4％陶瓷纖維復(fù)合涂層和未摻雜陶瓷纖維復(fù)合涂層的摩擦失重對(duì)比圖，由圖中可知摩擦失重由未摻雜纖維復(fù)合涂層的72.5mg降為摻雜纖維復(fù)合涂層的52mg，磨損失重明顯降低。因此，可見在陶瓷工作層YSZ/Al₂O₃加入陶瓷纖維能夠提升其耐磨性能。

實(shí)施例2

步驟一：使用砂紙將1Cr18Ni9Ti基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進(jìn)行噴砂處理；

步驟二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和SiC纖維，使用球磨機(jī)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例(0.30:0.66:0.04)混合，制備復(fù)合粉末。SiC纖維球磨條件為：球料比為2：1，球磨速度為350r/min，球磨時(shí)間為10min。超聲分散1h，干燥處理。制備摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)4％的SiC纖維的YSZ/Al₂O₃復(fù)合粉末，球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時(shí)間為2h；

步驟三：將粘結(jié)層NiCrAlY粉末及步驟二制備復(fù)合粉末分別放入干燥箱進(jìn)行干燥，干燥溫度為200℃，干燥時(shí)間為2h；

步驟四：將步驟三干燥后的粘結(jié)層NiCrAlY粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進(jìn)行等離子噴涂制備粘結(jié)層，等離子噴涂條件為：電流為570～630A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°；

步驟五：將步驟三干燥后的復(fù)合粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進(jìn)行等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂條件為：電流為590～610A，電壓為70～74V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。

實(shí)施例3

在1Cr18Ni9Ti基體上采用與實(shí)施例2同樣的等離子噴涂工藝制備摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)8％的SiC纖維的YSZ/Al₂O₃復(fù)合涂層。其步驟為：

步驟一：使用砂紙將1Cr18Ni9Ti基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進(jìn)行噴砂處理；

步驟二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和SiC纖維，使用球磨機(jī)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例(0.28:0.64:0.08)混合，制備復(fù)合粉末。SiC纖維球磨條件為：球料比為2：1，球磨速度為350r/min，球磨時(shí)間為10min。超聲分散1h，干燥處理。制備摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)8％的SiC纖維的YSZ/Al₂O₃復(fù)合粉末，球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時(shí)間為2h；

步驟三：將粘結(jié)層NiCrAlY粉末及步驟二制備復(fù)合粉末分別放入干燥箱進(jìn)行干燥，干燥溫度為200℃，干燥時(shí)間為2h；

步驟四：將步驟三干燥后的粘結(jié)層NiCrAlY粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進(jìn)行等離子噴涂制備粘結(jié)層，等離子噴涂條件為：電流為570～630A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°；

步驟五：將步驟三干燥后的復(fù)合粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進(jìn)行等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂條件為：電流為590～610A，電壓為70～74V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。