石墨涂層的制備及性能研究

婁霞，龍正茂，林亮，姜英，陳瑞芳

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

石墨涂層的制備及性能研究

婁霞，龍正茂，林亮，姜英，陳瑞芳

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章對用自制的磷酸鹽體系為粘結劑的石墨涂層進行性能檢測，和國外進口石墨涂層性能進行對比，結果表明：以磷酸鹽體系為粘結劑的石墨涂層更具有優良的耐高溫性、更高的結合強度和更優異的耐摩擦性（摩擦系數低于0.1）和高溫穩定性，是優良的潤滑涂層。

石墨涂層，磷酸鹽粘結劑，摩擦系數，結合強度

1 前言

燃機壓氣機動葉葉根承擔著動葉與葉輪的連接任務，在燃機運行過程中，葉根工作一段時間后，會出現磨損、粘連的情況，影響葉片的穩定性，使得葉片出現變形。因此，在壓氣機葉根表面上噴涂一層石墨固體潤滑涂層，提高了葉根的耐腐蝕性、抗磨損性、防粘結性、耐磨性。目前產品上使用的石墨涂料為進口的環氧涂料，具有價格高，采購周期長，使用條件受限的不利條件，為了實現涂層國產化，并開拓更廣闊的應用市場，制備了以磷酸鹽為粘結劑的石墨涂層。以磷酸鹽為粘結劑的耐高溫涂層以其良好的熱穩定性，在高溫下與金屬有良好的粘結性，固化溫度低[1-2]，被廣泛應用。石墨有著類似的層狀晶體結構，層與層之間移動的范德華力比較小，具有較低的摩擦因數[3]，并且具有良好的化學穩定性，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕，在常溫下使用能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產生裂紋[1]，是優良的潤滑材料。

2 實驗方法

本論文以磷酸、五氧化二磷、氧化鎂、氫氧化鋁和三氧化鉻等為主要原料，按照化學配比進行液相反應合成聚磷酸鹽粘結劑，然后加入石墨粉體分散合成制得石墨涂料。

以1Cr12Mo為基材，制備石墨涂層試樣，并和進口的石墨涂層的性能在同等條件下進行對比，按照ASTM C633標準進行拉伸結合強度測試，使用HT1000型高溫摩擦磨損儀對石墨涂層進行摩擦磨損測試，同時，將石墨涂層試板在空氣氣氛下，不同溫度下煅燒8 h，對石墨涂層的耐高溫氧化性進行了實驗。

3 實驗結果與分析

3.1 涂層外觀

對進口和自制石墨涂料進行刷涂工藝試驗，采用毛刷刷涂，制備出石墨涂層試板。圖1為進口和自制石墨涂層的外觀，從圖中可以看出進口和自制石墨涂層均為灰黑色，涂層外觀顏色均勻，漆膜連續，無氣泡、裂紋和剝落等缺陷存在。

圖1 石墨涂層外觀圖

3.2 結合強度

表1為石墨涂層的結合強度值，從表中可以看出，自制石墨涂層的結合強度遠遠高于進口石墨涂層的結合強度，即:自制石墨涂層的結合力很好。這是由于磷酸鹽涂層和金屬基體之間因晶格振動而發生了原子的相互擴散，在涂層與基體之間形成了一個漸變界面，這種界面層是由金屬原子和非金屬原子形成的固溶體構成，涂層與基體間發生的原子相互擴散所形成的過渡層有利于增強涂層與基體間的界面結合強度。[4]

表1 涂層的平均結合強度

3.3 高溫氧化性能

將自制石墨涂層試板在空氣氣氛下，不同溫度下煅燒8 h，對石墨涂層的耐高溫氧化性能進行測試。圖2為涂層在不同溫度下熱處理后的外觀情況，從圖中可以看出:石墨涂層在650℃發生了反應，裸露出部分基材，在500℃和600℃耐高溫氧化性良好，無脫落、裂紋和起泡現象。這是因為自制石墨涂層為磷酸鹽體系粘結劑，該粘結劑隨著溫度升高強度提高，升溫過程中逐漸脫水固化，生成磷酸復合物，從而具有耐高溫性。

圖2 涂層在高溫氧化8 h外觀

3.4 金相測試

圖3為自制石墨涂層的金相照片，從圖中可以看出:石墨涂層均勻連續，無孔隙無裂紋。

圖3 石墨涂層的金相照片

3.5 摩擦磨損測試

圖4為自制石墨涂層在不同溫度下的摩擦磨損曲線，從圖中可以看出:自制石墨涂層各個溫度點綜合摩擦磨損性能較為優良，摩擦系數基本低于0.1，抗磨損性能良好，這是因為石墨有著類似的層狀晶體結構，層與層之間移動的范德華力比較小，具有較低的摩擦系數，是優良的潤滑材料。圖5為進口石墨涂層在不同溫度下的摩擦磨損曲線，從圖中可以看出:在常溫、200℃和300℃時摩擦系數較為穩定，且隨溫度基本保持在0.2左右，在高溫（400℃，500℃）下，摩擦系數較大（0.4左右），并且跳動比較大，摩擦性能不穩定，涂層抗磨損性能較為普通，只適合用于300℃以下。

圖4 自制石墨涂層的摩擦磨損曲線

圖5 進口石墨涂層的摩擦磨損曲線

表2為自制和進口石墨涂層在不同溫度下的平均摩擦系數，從表中可以看出:進口石墨涂層的高溫摩擦性能稍差，而自制石墨涂層在各個溫度下的摩擦性能均良好，并且比較穩定，摩擦系數基本都在0.1以下。

表2 涂層的平均摩擦系數

4 結論

通過實驗可以得出以下結論:

（1）以磷酸鹽體系為粘結劑的石墨涂層具有良好的結合強度和耐高溫性，均優于進口石墨涂層。

（2）以磷酸鹽體系為粘結劑的石墨涂層具有優異的抗摩擦性能，在不同溫度下的抗摩擦性能比較穩定，摩擦系數基本上都在0.1以下，是優良的固體潤滑涂層。

（3）在同等測試條件下，自制石墨涂料在各方面都優于進口石墨涂料，可以替代進口涂料，并為開拓市場做好了準備。

[1]丁勇.高溫潤滑涂層的制備及性能研究[D].蘭州：蘭州理工大學,2011.

[2]王政閱.磷酸鹽耐熱涂層的制備及固化機理的研究[D].天津：天津大學,2007.

[3]張祥林,喬曉勇,章小峰,等.高溫固體自潤滑涂層的發展[J].新技術新工藝,2006,（11）：7-11.

[4]張微,唐紹裘,何莉萍.金屬基耐高溫陶瓷涂層抗熱沖擊性能的研究[J].電鍍與涂飾,2002,21(6)：8-11.

Study on Preparation and Performance of Graphite Coating

Lou Xia，Long Zhengmao，Lin Liang，Jiang Ying，Chen Ruifang

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,the performance of graphite coating with the self-made phosphate system as binder was tested and compared with that of imported graphite coating.The results showed that the graphite coating with phosphate system as binder had excellent high temperature resistance,higher bonding strength and excellent frictional resistance(friction coefficient was lower than 0.1),the high temperature stability was excellent.The graphite coating with phosphate system as binder was excellent lubricating coating.

graphite coating,phosphate binder,friction coefficient,bond strength

TH117

A

1674-9987（2017）02-0073-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.017

婁霞（1982-），女，材料學碩士，工程師，現從事電化學涂鍍層技術研發工作。