石墨涂层的制备及性能研究

娄霞，龙正茂，林亮，姜英，陈瑞芳

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

石墨涂层的制备及性能研究

娄霞，龙正茂，林亮，姜英，陈瑞芳

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章对用自制的磷酸盐体系为粘结剂的石墨涂层进行性能检测，和国外进口石墨涂层性能进行对比，结果表明：以磷酸盐体系为粘结剂的石墨涂层更具有优良的耐高温性、更高的结合强度和更优异的耐摩擦性（摩擦系数低于0.1）和高温稳定性，是优良的润滑涂层。

石墨涂层，磷酸盐粘结剂，摩擦系数，结合强度

1 前言

燃机压气机动叶叶根承担着动叶与叶轮的连接任务，在燃机运行过程中，叶根工作一段时间后，会出现磨损、粘连的情况，影响叶片的稳定性，使得叶片出现变形。因此，在压气机叶根表面上喷涂一层石墨固体润滑涂层，提高了叶根的耐腐蚀性、抗磨损性、防粘结性、耐磨性。目前产品上使用的石墨涂料为进口的环氧涂料，具有价格高，采购周期长，使用条件受限的不利条件，为了实现涂层国产化，并开拓更广阔的应用市场，制备了以磷酸盐为粘结剂的石墨涂层。以磷酸盐为粘结剂的耐高温涂层以其良好的热稳定性，在高温下与金属有良好的粘结性，固化温度低[1-2]，被广泛应用。石墨有着类似的层状晶体结构，层与层之间移动的范德华力比较小，具有较低的摩擦因数[3]，并且具有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀，在常温下使用能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹[1]，是优良的润滑材料。

2 实验方法

本论文以磷酸、五氧化二磷、氧化镁、氢氧化铝和三氧化铬等为主要原料，按照化学配比进行液相反应合成聚磷酸盐粘结剂，然后加入石墨粉体分散合成制得石墨涂料。

以1Cr12Mo为基材，制备石墨涂层试样，并和进口的石墨涂层的性能在同等条件下进行对比，按照ASTM C633标准进行拉伸结合强度测试，使用HT1000型高温摩擦磨损仪对石墨涂层进行摩擦磨损测试，同时，将石墨涂层试板在空气气氛下，不同温度下煅烧8 h，对石墨涂层的耐高温氧化性进行了实验。

3 实验结果与分析

3.1 涂层外观

对进口和自制石墨涂料进行刷涂工艺试验，采用毛刷刷涂，制备出石墨涂层试板。图1为进口和自制石墨涂层的外观，从图中可以看出进口和自制石墨涂层均为灰黑色，涂层外观颜色均匀，漆膜连续，无气泡、裂纹和剥落等缺陷存在。

图1 石墨涂层外观图

3.2 结合强度

表1为石墨涂层的结合强度值，从表中可以看出，自制石墨涂层的结合强度远远高于进口石墨涂层的结合强度，即:自制石墨涂层的结合力很好。这是由于磷酸盐涂层和金属基体之间因晶格振动而发生了原子的相互扩散，在涂层与基体之间形成了一个渐变界面，这种界面层是由金属原子和非金属原子形成的固溶体构成，涂层与基体间发生的原子相互扩散所形成的过渡层有利于增强涂层与基体间的界面结合强度。[4]

表1 涂层的平均结合强度

3.3 高温氧化性能

将自制石墨涂层试板在空气气氛下，不同温度下煅烧8 h，对石墨涂层的耐高温氧化性能进行测试。图2为涂层在不同温度下热处理后的外观情况，从图中可以看出:石墨涂层在650℃发生了反应，裸露出部分基材，在500℃和600℃耐高温氧化性良好，无脱落、裂纹和起泡现象。这是因为自制石墨涂层为磷酸盐体系粘结剂，该粘结剂随着温度升高强度提高，升温过程中逐渐脱水固化，生成磷酸复合物，从而具有耐高温性。

图2 涂层在高温氧化8 h外观

3.4 金相测试

图3为自制石墨涂层的金相照片，从图中可以看出:石墨涂层均匀连续，无孔隙无裂纹。

图3 石墨涂层的金相照片

3.5 摩擦磨损测试

图4为自制石墨涂层在不同温度下的摩擦磨损曲线，从图中可以看出:自制石墨涂层各个温度点综合摩擦磨损性能较为优良，摩擦系数基本低于0.1，抗磨损性能良好，这是因为石墨有着类似的层状晶体结构，层与层之间移动的范德华力比较小，具有较低的摩擦系数，是优良的润滑材料。图5为进口石墨涂层在不同温度下的摩擦磨损曲线，从图中可以看出:在常温、200℃和300℃时摩擦系数较为稳定，且随温度基本保持在0.2左右，在高温（400℃，500℃）下，摩擦系数较大（0.4左右），并且跳动比较大，摩擦性能不稳定，涂层抗磨损性能较为普通，只适合用于300℃以下。

图4 自制石墨涂层的摩擦磨损曲线

图5 进口石墨涂层的摩擦磨损曲线

表2为自制和进口石墨涂层在不同温度下的平均摩擦系数，从表中可以看出:进口石墨涂层的高温摩擦性能稍差，而自制石墨涂层在各个温度下的摩擦性能均良好，并且比较稳定，摩擦系数基本都在0.1以下。

表2 涂层的平均摩擦系数

4 结论

通过实验可以得出以下结论:

（1）以磷酸盐体系为粘结剂的石墨涂层具有良好的结合强度和耐高温性，均优于进口石墨涂层。

（2）以磷酸盐体系为粘结剂的石墨涂层具有优异的抗摩擦性能，在不同温度下的抗摩擦性能比较稳定，摩擦系数基本上都在0.1以下，是优良的固体润滑涂层。

（3）在同等测试条件下，自制石墨涂料在各方面都优于进口石墨涂料，可以替代进口涂料，并为开拓市场做好了准备。

[1]丁勇.高温润滑涂层的制备及性能研究[D].兰州：兰州理工大学,2011.

[2]王政阅.磷酸盐耐热涂层的制备及固化机理的研究[D].天津：天津大学,2007.

[3]张祥林,乔晓勇,章小峰,等.高温固体自润滑涂层的发展[J].新技术新工艺,2006,（11）：7-11.

[4]张微,唐绍裘,何莉萍.金属基耐高温陶瓷涂层抗热冲击性能的研究[J].电镀与涂饰,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

娄霞（1982-），女，材料学硕士，工程师，现从事电化学涂镀层技术研发工作。