CN116904910B - 一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Ti2AlC‑Fe基耐磨自润滑涂层及其制备方法。该耐磨自润滑涂层包括以质量百分比计的以下组份原料：80％～95％的Fe，5％～20％的Ti2AlC；其中，所述Fe和Ti2AlC的组份之和为100％。该耐磨自润滑涂层直接采用市面上的现有原料粉体作为原料，原料获得方式简单、成本低，具有自修复可重复利用的特点。该耐磨自润滑涂层的制备方法通过优化内孔旋转等离子喷涂工艺以及原料粉体配比，方法简单、易操作，适用于工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层及其制备方法。
背景技术
近年来，内燃机的节能减排问题和摩擦运动部件的失效问题持续受到重视和关注。内燃机缸体与活塞环的磨损失效量占整机摩擦学故障的40％左右，能量损耗达总机械能损耗的60％。因此，研发新型复合涂层取代厚重的内燃机缸套，实现内燃机轻量化以节约能源，并改善摩擦学性能以延长内燃机服役寿命，具有重大经济效益和现实意义。
内孔等离子喷涂技术具有经济性高，成形效率高，成型均匀性好等显著优点，是制备内燃机缸体内孔强化层以取代传统铸铁缸套的最优技术手段。然而现有内燃机缸体内孔等离子喷涂强化层与缸体润湿性不好，界面结合较差容易脱落，需要进一步设计并优化涂层组份，增强涂层与缸体内壁结合强度并提升涂层耐磨自润滑性能；同时优化该涂层等离子喷涂制备工艺，减少孔洞、裂纹等内部缺陷，提高涂层质量。
MAX相的类石墨层状结构使其具备了优良的耐磨自润滑性能。因此，MAX相材料可成为制备具有优异耐磨自润滑特性的金属基复合涂层材料的理想增强体。在MAX相增强金属基复合材料(铜基、铁基和镍基复合材料)中普遍观察到了A位元素沿着MAX相(0001)晶面脱溶并扩散到金属界面处，原位形成新的化合物相，这有利于促使MAX相与金属基体的结合方式由机械结合转变为冶金结合，大大提高了界面结合强度，赋予MAX相增强金属基复合材料高强度、高模量，以及优异的延展性。
因此，开发出一种具备优异耐磨自润滑性能并可自我修复的MAX相金属基复合涂层，以改善内燃机缸体内孔—活塞环的摩擦学特性并实现缸体内孔再制造重复利用，具有重大实用价值和重要科学意义。
发明内容
本发明基于在A位元素为Al的MAX相中，Al元素可以沿着MAX相(0001)晶面脱溶并扩散到金属基体界面处，形成新的固溶体相这一机制，通过调控内孔旋转等离子喷涂工艺以及原料粉体配比，成功开发出Ti2AlC-Fe基体的内燃机缸体内壁耐磨自润滑复合涂层及其制备方法。
本发明提供一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，该耐磨自润滑涂层包括以质量百分比计的以下组份原料：80％～95％的Fe，5％～20％的Ti2AlC；其中，所述Fe和Ti2AlC的组份之和为100％。
本发明提供另一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，该耐磨自润滑涂层包括以质量百分比计的以下组份：75％～90％的Fe，2％～18％的Ti2AlC，1％～5％的FexOy，0.1％～1％的Ti3AlC2和0.1％～1％的TiC；所述FexOy为FeO、Fe2O3、Fe3O4中的一种或几种；其中，所述各组份之和为100％。需要说明的是，这是因为一部分原料粉体中的Fe在喷涂过程中会因为高温分解成FexOy，一部分原料粉体中的Ti2AlC在喷涂过程中会因为高温分解成Ti3AlC2和TiC，因此涂层中Fe和Ti2AlC质量百分比会减少，FexOy、Ti3AlC2和TiC三种物质的质量百分比会增加，喷涂得到的涂层中FexOy、Ti3AlC2和TiC不是杂质，而是Fe和Ti2AlC分解产物。
进一步的，所述Fe的粒径为15μm～45μm，所述Ti2AlC的粒径为15μm～40μm。
进一步的，该耐磨自润滑涂层的显微硬度为400HV～700HV。
进一步的，该耐磨自润滑涂层的拉伸结合强度为45MPa～60MPa。
进一步的，该耐磨自润滑涂层的摩擦系数为0.2～0.3。
进一步的，该耐磨自润滑涂层的厚度为0.5mm～2mm。
本发明还提供如上述的Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：按配方预备各组份原料粉体，将所述各组份原料粉体置于行星球磨机中进行球磨处理至充分混合，得到复合原料粉体；以碳钢作为基体，将所述基体置于马弗炉中预热至150℃；将所述复合原料粉体置于内孔旋转等离子喷涂设备送粉器中，将预热后的基体固定在内孔旋转等离子喷涂设备上，进行内孔旋转等离子喷涂处理，得到所述Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层；其中，所述喷涂处理的参数包括：喷枪旋转速度120r/min，喷枪垂直移动速度8mm/min，喷枪与缸体内壁距离70mm，氩气气流量70L/min～100L/min，氢气气流量5L/min～6.5L/min，电压100V～120V，电流300A～400A，送粉速率40g/min。
进一步的，所述球磨处理的时间为8h～12h。
本发明与目前现有技术相比具有以下特点：
本发明提供一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层及其制备方法，该耐磨自润滑涂层直接采用市面上的现有原料粉体作为原料，原料获得方式简单、成本低，产品具有自修复可重复利用的特点。该Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层的制备方法通过优化内孔旋转等离子喷涂工艺以及原料粉体配比，方法简单、易操作，适用于工业生产。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明实施例1的95wt.％Fe/5wt.％Ti2AlC耐磨自润滑涂层的扫描电镜图；
图2为本发明实施例2的90wt.％Fe/10wt.％Ti2AlC耐磨自润滑涂层的扫描电镜图；
图3为本发明实施例3的85wt.％Fe/15wt.％Ti2AlC耐磨自润滑涂层的扫描电镜图；
图4为本发明实施例4的80wt.％Fe/20wt.％Ti2AlC耐磨自润滑涂层的扫描电镜图。
具体实施方式
发明人发现，为了满足与重载汽车内燃机铸铁缸体结合良好的要求，与重载汽车内燃机缸体同质的Fe基涂层是首选。但是单纯的Fe基涂层力学性能极差，不具备耐磨自润滑性能，所以设计第二相增强的Fe基复合涂层是十分必要的。新型的三元层状MAX相陶瓷是一种兼具高强度和高韧性以及类金属的优良导电性能的良好损伤容限陶瓷材料，典型的材料有Ti3SiC2、Ti2AlC、Ti3(SiAl)C2固溶体和Cr2AlC，其密度为4～5g/cm3，杨氏模量为280～340GPa，室温断裂韧度为6.0～7.88MPa·m1/2。此外，新型的三元MAX相陶瓷具备优良的耐磨、自润滑、抗热冲击、抗热循环、高温自愈合修复、抗氧化和与金属基体界面润湿性好的综合优势。如何通过优化内孔旋转等离子喷涂工艺以及原料粉体配比，来制备出可替代传统铸铁缸套的Ti2AlC增强Fe基涂层，成为开发这种新型Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层的重点。
本发明提供一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，该耐磨自润滑涂层包括以质量百分比计的以下组份原料：80％～95％的Fe，5％～20％的Ti2AlC；其中，所述Fe和Ti2AlC的组份之和为100％。
需要说明的是，Ti2AlC也可以用其他MAX相陶瓷所替代，MAX相陶瓷包括且不限于Ti3AlC2、Ti3SiC2、Cr2AlC和Mo2AlB中的一种或多种。上述列举的Ti2AlC、Ti3AlC2、Ti3SiC2、Cr2AlC和Mo2AlB为同一类化学物质，所以相应的以其为原料，可以制备出同等性能的耐磨自润滑涂层。
本发明还提供一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，该耐磨自润滑涂层包括以质量百分比计的以下组份：75％～90％的Fe，2％～18％的Ti2AlC，1％～5％的FexOy，0.1％～1％的Ti3AlC2和0.1％～1％的TiC；所述FexOy为FeO、Fe2O3、Fe3O4中的一种或几种；其中，所述各组份之和为100％。
其中，所述Fe的粒径为15μm～45μm，所述Ti2AlC的粒径为15μm～40μm。
本发明还提供如上述的Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、按配方预备各组份原料粉体，将所述各组份原料粉体置于行星球磨机中进行球磨处理至充分混合，得到复合原料粉体；
S2、以碳钢作为基体，将所述基体置于马弗炉中预热至150℃；
S3、将所述复合原料粉体置于内孔旋转等离子喷涂设备送粉器中，将预热后的基体固定在内孔旋转等离子喷涂设备上，进行内孔旋转等离子喷涂处理，得到所述Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层；
其中，所述喷涂处理的参数包括：喷枪旋转速度120r/min，喷枪垂直移动速度8mm/min，喷枪与缸体内壁距离70mm，氩气气流量70L/min～100L/min，氢气气流量5L/min～6.5L/min，电压100V～120V，电流300A～400A，送粉速率40g/min。
需要说明的是，针对本发明中提供的第一种耐磨自润滑涂层的配方，上述的各组份原料粉体具体为Fe和Ti2AlC；而针对本发明中提供的第一种耐磨自润滑涂层的配方，上述的各组份原料粉体具体为Fe、Ti2AlC、FexOy、Ti3AlC2和TiC。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
实施例1提供一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层及其制备方法，该制备方法包括：
按耐磨自润滑涂层原料粉体的质量百分比：Fe：95％，Ti2AlC：5％，两种组份之和为100％，称取所需的Fe和Ti2AlC；
将上述两种原料粉体放置于行星球磨机中球磨8～12h，实现充分混合；
将碳钢基体放置于马弗炉中预热至150℃；
将上述复合原料粉体放置于内孔旋转等离子喷涂设备送粉器，将预热后的碳钢基体采用夹具固定在内孔旋转等离子喷涂设备上，使用上述的等离子喷涂参数，随后进行内孔旋转等离子喷涂耐磨自润滑涂层制备，最终得到耐磨自润滑涂层，如图1所示，涂层内部的Ti2AlC呈现层状形貌，并弥散分布在Fe中。该耐磨自润滑涂层显微硬度为400±50HV，涂层结合强度为60±5MPa。
实施例2
实施例2提供一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层及其制备方法，该制备方法包括：
按耐磨自润滑涂层原料粉体的质量百分比：Fe：90％，Ti2AlC：10％，两种组份之和为100％，称取所需的Fe和Ti2AlC；
将上述两种原料粉体放置于行星球磨机中球磨8～12h，实现充分混合；
将碳钢基体放置于马弗炉中预热至150℃；
将上述复合原料粉体放置于内孔旋转等离子喷涂设备送粉器，将预热后的碳钢基体采用夹具固定在内孔旋转等离子喷涂设备上，使用上述的等离子喷涂参数，随后进行内孔旋转等离子喷涂耐磨自润滑涂层制备，最终得到耐磨自润滑涂层，如图2所示，涂层内部的Ti2AlC呈现层状形貌，并弥散分布在Fe中。该耐磨自润滑涂层显微硬度为500±50HV，涂层结合强度为55±5MPa。
实施例3
实施例3提供一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层及其制备方法，该制备方法包括：
按耐磨自润滑涂层原料粉体的质量百分比：Fe：85％，Ti2AlC：15％，两种组份之和为100％，称取所需的Fe和Ti2AlC；
将上述两种原料粉体放置于行星球磨机中球磨8～12h，实现充分混合；
将碳钢基体放置于马弗炉中预热至150℃；
将上述复合原料粉体放置于内孔旋转等离子喷涂设备送粉器，将预热后的碳钢基体采用夹具固定在内孔旋转等离子喷涂设备上，使用上述的等离子喷涂参数，随后进行内孔旋转等离子喷涂耐磨自润滑涂层制备，最终得到耐磨自润滑涂层，如图3所示，涂层内部的Ti2AlC呈现层状形貌，并弥散分布在Fe中。该耐磨自润滑涂层显微硬度为600±50HV，涂层结合强度为50±5MPa。
实施例4
实施例4提供一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层及其制备方法，该制备方法包括：
按耐磨自润滑涂层原料粉体的质量百分比：Fe：80％，Ti2AlC：20％，两种组份之和为100％，称取所需的Fe和Ti2AlC；
将上述两种原料粉体放置于行星球磨机中球磨8～12h，实现充分混合；
将碳钢基体放置于马弗炉中预热至150℃；
将上述复合原料粉体放置于内孔旋转等离子喷涂设备送粉器，将预热后的碳钢基体采用夹具固定在内孔旋转等离子喷涂设备上，使用上述的等离子喷涂参数，随后进行内孔旋转等离子喷涂耐磨自润滑涂层制备，最终得到耐磨自润滑涂层，如图4所示，涂层内部的Ti2AlC呈现层状形貌，并弥散分布在Fe中。该耐磨自润滑涂层显微硬度为700±50HV，涂层结合强度为45±5MPa。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。
Claims (6)
1.一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，其特征在于，该耐磨自润滑涂层包括以质量百分比计的以下组份原料：80％～95％的Fe，5％～20％的Ti2AlC；其中，所述Fe和Ti2AlC的组份之和为100％；
所述Fe的粒径为15μm～45μm，所述Ti2AlC的粒径为15μm～40μm；该耐磨自润滑涂层的厚度为0.5mm～2mm；
该耐磨自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配方预备各组份原料粉体，将所述各组份原料粉体置于行星球磨机中进行球磨处理至充分混合，得到复合原料粉体；
S2、以碳钢作为基体，将所述基体置于马弗炉中预热至150℃；
S3、将所述复合原料粉体置于内孔旋转等离子喷涂设备送粉器中，将预热后的基体固定在内孔旋转等离子喷涂设备上，进行内孔旋转等离子喷涂处理，得到所述Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层；
其中，所述喷涂处理的参数包括：喷枪旋转速度120r/min，喷枪垂直移动速度8mm/min，喷枪与缸体内壁距离70mm，氩气气流量70L/min～100L/min，氢气气流量5L/min～6.5L/min，电压100V～120V，电流300A～400A，送粉速率40g/min。
2.一种Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，其特征在于，该耐磨自润滑涂层包括以质量百分比计的以下组份：75％～90％的Fe，2％～18％的Ti2AlC，1％～5％的FexOy，0.1％～1％的Ti3AlC2和0.1％～1％的TiC；所述FexOy为FeO、Fe2O3、Fe3O4中的一种或几种；其中，所述各组份之和为100％；
所述Fe的粒径为15μm～45μm，所述Ti2AlC的粒径为15μm～40μm；该耐磨自润滑涂层的厚度为0.5mm～2mm；
该耐磨自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配方预备各组份原料粉体，将所述各组份原料粉体置于行星球磨机中进行球磨处理至充分混合，得到复合原料粉体；
S2、以碳钢作为基体，将所述基体置于马弗炉中预热至150℃；
S3、将所述复合原料粉体置于内孔旋转等离子喷涂设备送粉器中，将预热后的基体固定在内孔旋转等离子喷涂设备上，进行内孔旋转等离子喷涂处理，得到所述Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层；
其中，所述喷涂处理的参数包括：喷枪旋转速度120r/min，喷枪垂直移动速度8mm/min，喷枪与缸体内壁距离70mm，氩气气流量70L/min～100L/min，氢气气流量5L/min～6.5L/min，电压100V～120V，电流300A～400A，送粉速率40g/min。
3.根据权利要求1或2所述的Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，其特征在于，该耐磨自润滑涂层的显微硬度为400HV～700HV。
4.根据权利要求1或2所述的Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，其特征在于，该耐磨自润滑涂层的拉伸结合强度为45MPa～60MPa。
5.根据权利要求1或2所述的Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，其特征在于，该耐磨自润滑涂层的摩擦系数为0.2～0.3。
6.根据权利要求1或2所述的Ti2AlC-Fe基耐磨自润滑涂层，其特征在于，所述球磨处理的时间为8h～12h。
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