[发明专利]耐磨和低摩擦涂层以及涂有所述涂层的制品

说明书

技术领域

本发明一般性地涉及用于制品的涂层。具体地，本发明涉及保护性涂层，所述涂层对暴露于高温的制品提供耐磨和低摩擦特性。这种制品的实例包括涡轮机，例如涡轮发动机。 

背景技术

金属构件在多种操作条件下广泛用于工业应用。在许多情况下，各种构件提供有涂层，涂层能赋予各种特性，例如耐腐蚀性、耐热性、抗氧化性和耐磨性。作为一个实例，涡轮发动机的各种构件通常涂有热阻挡涂层，以有效提高它们可操作的温度。需要某种类型的保护性涂层的制品的其他实例包括用于内燃机和其他类型机器的活塞。 

耐磨涂层(通常称为“抗磨损涂层(wear coatings)”)常用于涡轮发动机构件，例如喷嘴耐磨垫和燕尾联锁装置。由于摩擦(尤其是高频摩擦)会破坏零件，涂层在构件可能彼此摩擦的区域提供保护。一种特定类型的磨损称为“摩擦腐蚀(fretting)”。摩擦腐蚀可通常由在配合构件之间的接合处非常小的运动或振动所引起，例如，在燃气涡轮发动机的压缩机和/或风扇部分中。例如，在风扇或压缩机叶片与转子或旋转圆盘接合的区域可能发生摩擦腐蚀。这种类型的磨损可能需要过早修理或替换一个或多个受影响的构件。各种合金，例如基于镍或钴的那些，对摩擦腐蚀和其他模式的磨损敏感。许多钛合金具有特别差的摩擦腐蚀特性。除了耐摩擦腐蚀性以外，涂层还需要其他特性。这些特性包括抗磨蚀性能(例如，在活塞环和汽缸衬垫的情况下)以及抗摩擦性能。 

多种涂层系统已用于为基材赋予耐磨性。实例包括基于铬；碳化 铬；钴-钼-铬-硅或铜-镍-铟的那些。可通过多种技术来施用涂层，例如电镀或热喷涂。 

虽然硬铬涂层在各种应用中具有很大的用途，但是它们也表现出一些缺点。例如，在航空和汽车发动机应用中，这些涂层的完整性受到它们通常经受的高温和高压的挑战。此外，镀铬可能是非常耗时的过程。 

此外，用作铬来源的一些铬酸盐化合物的毒性是电镀方法的另一个缺点。特别是，认为六价铬是致癌物质。当使用含有(或释放)这种形式的铬的组合物时，必须非常严密地采用专门的处理程序，以便满足健康和安全的规定。专门的处理程序通常可导致提高成本并且降低生产率。 

在许多应用中，镀铬法用如上所述的喷涂技术代替。作为示例，采用热喷涂技术来沉积基于碳化钨(WC)或碳化铬(例如，Cr₃C₂)的涂层。虽然所得到的涂层适用于许多目的，但是它们也有局限性，例如，在其热性能方面。 

在某些情况下，为了提供耐磨性，热喷涂的金属陶瓷涂层也变得非常流行。这些涂层的实例包括碳化钨-钴(WC-Co)、碳化钨-钴-铬(WC-Co-Cr)和碳化铬/镍铬(例如，Cr₃C₂-NiCr)。作为另一个实例，美国专利号6,887,585(Herbst-Dederichs)描述了基于金属相(例如镍或铁合金)以及陶瓷相(例如氧化铝、氧化铬(Cr₂O₃)或碳化钛(TiC))的耐磨涂层。该涂层还可包括固体润滑剂材料以降低摩擦。润滑剂的实例包括多种材料，例如石墨、六角形氮化硼和聚四氟乙烯。 

虽然许多金属陶瓷涂层适用于某些最终用途，但是它们也表现出一些缺陷。例如，对于如上所述的其他最终用途，基于WC和基于Cr₃C₂的涂层的硬度可能不够。此外，在氧化环境中，WC-Co涂层通常受限于低于约500℃的温度。这种限制通常在热喷涂法例如HVOF或APS中见到，并且部分是由于在沉积过程中碳化物降解。当WC材料被氧化并形成脆的次碳化物(sub-carbides)时，可能发生碳化物降 解。涂层如基于Cr₃C₂-NiCr的那些在较高的温度(例如，约500-900℃)下可能具有令人满意的抗磨耗性质。然而，它们可能不具有足够的低摩擦性能，此外，在热喷涂过程中难以控制这种涂层的微观结构。 

因此，需要提供用于压缩机构件，特别是暴露于磨损和摩擦的那些构件的改善的保护性涂层。期望所述保护性涂层提供所需量的高温应用所需的耐磨性(例如，抗摩擦腐蚀能力)，并且还提供良好的低摩擦性能。 

发明内容

一个实施方案为包含硬陶瓷相、金属粘合剂相和润滑剂相的涂层组合物。所述润滑剂相包含多组分氧化物。 

另一个实施方案为一种制品。所述制品包含金属基材和在所述基材上布置的耐磨和低摩擦涂层。所述涂层组合物包含硬陶瓷相、金属粘合剂相和润滑剂相，其中所述润滑剂相包含多组分氧化物。