1.本发明涉及制造业关键传动件抗磨延寿技术领域，具体而言涉及一种汽轮机轴瓦用耐磨自修复材料及其制备方法。


背景技术：

2.作为滑动轴承使用的轴瓦，通常与轴径间隙配合，随主轴旋转及转速提高，轴瓦与转轴之间必须有一层很薄的润滑油膜方可实现流体润滑之功效，并保障主轴运行的稳定性与可靠性。以汽轮机为例，在重载、高转速(超过3000r/min)服役工况条件下，若高压油泵润滑系统无法向轴瓦与轴径的间隙喷射连续油膜，或因负荷过大、温度过高、杂质沉淀、粘度异常、局部冲击等原因引起局部膨胀导致轴瓦与轴径的间隙润滑不足产生边界摩擦甚至局部干摩擦，则因摩擦高温会迅速产生局部高温导致“烧瓦现象”，进而出现咬合、抱死等生产事故。
3.近年来，虽然在轴瓦材料设计(摩擦系数小、疲劳强度高、跑和性好、耐腐蚀好等)和轴瓦加工工艺(粉末冶金或沟槽、螺纹等增大储油间隙)方面取得了一定的进展；但是，对于以汽轮机为代表的重载、高转速服役环境下轴瓦，鉴于摩擦磨损实为系统工程，且主轴设计寿命25年～40年，仅靠轴瓦自身设计对于该系统的延寿功效仍有限。
4.因此，从汽轮机轴瓦服役工况系统参量出发，聚焦于改善轴瓦与轴径的间隙润滑并实现滑动摩擦副表面(轴瓦内衬与轴径外表面)的自修复功效，对于汽轮机动力系统减震降噪、延长大修期限、提高服役寿命、降低运行成本和保障运行稳定可靠具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种汽轮机轴瓦用耐磨自修复材料，该材料具有抗磨性优、使用寿命长，以及可局部修复的性能，从而保障了主轴旋转的稳定性，提高了设备的精度、寿命，极大地降低了摩擦系数。
6.本发明的另一目的在于还提供了一种汽轮机轴瓦用耐磨自修复材料的制备方法。
7.根据本发明目的的第一方面，提供一种一种汽轮机轴瓦用耐磨自修复材料，所述耐磨自修复材料由以下质量百分数的成分组成：
8.纳米陶瓷粉0.05％
‑
0.45％；
9.纳米金属复合粉0.15％
‑
0.85％；
10.修复助剂0.05％
‑
0.50％；
11.纳米粉体分散剂0.20％
‑
1％；
12.分散介质97.00％
‑
99.50％；
13.碳纳米管0.05％
‑
0.2％；
14.上述组分质量百分数之和为100％；
15.所述纳米金属复合粉由纳米锡粉、纳米铝粉和纳米铜粉组成，所述修复助剂为氧化锆粉末；
16.其中，所述氧化锆粉末、纳米陶瓷粉、纳米铜粉、纳米铝粉以及纳米锡粉，彼此之间的粒度中值各不相等，从而形成不同粒径的错配，并且氧化锆粉末、纳米陶瓷粉、纳米铜粉、纳米铝粉以及纳米锡粉的粒径中值大于碳纳米管的管径。
17.优选地，所述纳米陶瓷粉的粒径中值为200nm
‑
400nm，纳米锡粉的粒径中值为 110nm
‑
120nm，纳米铝粉的粒径中值为90nm
‑
100nm，纳米铜粉的粒径中值为50nm
‑
80nm，氧化锆粉末的粒径中值为40nm
‑
50nm。
18.优选地，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为30nm
‑
40nm，管长为10
‑
20um。
19.优选地，所述纳米陶瓷粉包含纳米氧化铝粉或纳米立方氮化硼粉中的至少一种，纳米氧化铝粉的粒径中值为200nm
‑
300nm，纳米立方氮化硼粉的粒径中值为300nm
‑
400nm；其中，纳米氧化铝粉为纳米
ɑ
‑
al2o3粉。
20.优选地，所述纳米铜粉、纳米铝粉和纳米锡粉的质量配比为1:5:5。
21.优选地，所述氧化锆粉末为t
‑
zro2。
22.优选地，所述纳米粉体分散剂至少包含聚磷酸钠、油酸、偏硅酸钠或硅烷偶联剂中的一种；所述分散介质为润滑油。
23.根据本发明的第二方面还提出一种汽轮机轴瓦用耐磨自修复材料的制备方法，包括以下步骤：
24.将计量好的纳米粉体分散剂加入到分散介质中，充分搅拌均匀；再按比例，先加入纳米金属复合粉，并搅拌均匀，最后按比例加入纳米陶瓷粉、碳纳米管和氧化锆粉末，搅拌至无明显沉淀，得到混合材料；
25.将混合材料进行超声震荡处理，得到耐磨自修复材料。
26.其中，所述纳米陶瓷粉包含纳米氧化铝粉或纳米立方氮化硼粉中的至少一种，纳米氧化铝粉的粒径中值为200nm
‑
300nm，纳米立方氮化硼粉的粒径中值为300nm
‑
400nm；其中，纳米氧化铝粉为纳米
ɑ
‑
al2o3粉。
27.优选地，所述纳米金属复合粉中，纳米铜粉、纳米铝粉和纳米锡粉的质量配比为1:5:5，纳米锡粉的粒径中值为110nm
‑
120nm，纳米铝粉的粒径中值为90nm
‑
100nm，纳米铜粉的粒径中值为50nm
‑
80nm；所述碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为30nm
‑
40nm，管长为10
‑
20um。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
29.1、本发明的耐磨自修复材料通过组分中的氧化锆粉末，纳米陶瓷粉，纳米铜粉，碳纳米管，纳米铝粉以及纳米锡粉彼此之间的粒径中值各不相等，具有多个不同的粒径尺度范围，从而形成粒度的错配，使得各粉末之间协同作用：陶瓷粉与微量的碳纳米管混合协同作为弥散分布的硬质点，具有高模量高硬度的特性，逐渐均匀嵌入轴瓦内衬表面，抑制了软质相容易磨损及出现凹陷的现象，大幅度延缓磨损深度的增加，提高轴瓦的服役寿命；纳米氧化铝粉与氧化锆通过两个尺度的粒度错配，在齿轮表面形成更为致密平整的金属陶瓷修复层，提高了齿轮运动过程的抗磨性；纳米锡粉和铝粉都是软质相，通过特定的比例组成，可更有利于进入磨损凹坑，从而使粉体自适应的填平，修复该区域，保证了轴瓦服役工况中的主轴旋转稳定性；铜粉与其他组分协同作用，提高修复层与轴瓦基材的结合力，保障了修复效果；不同的粒径尺度的粉末相互分散在空隙中，形成更致密的抗磨层，从而进一步达到修复的效果；
30.同时，本发明的耐磨自修复材料在对高速滑动摩擦副表面的超细研磨、清理吸附
时，降低了摩擦系数，满足轴瓦工作需求，且材料可形成微冶金硬化层，进一步保证了轴瓦的低磨损量，在小间隙的情况下保障同轴度，保证主轴旋转稳定性。
31.2、本发明的耐磨自修复材料，经工作过程中对高速滑动摩擦副表面的超细研磨、清理吸附、表面微区修复、局部微冶金硬化层形成等持续作用，使汽轮机轴瓦
‑
主轴运动系统服役过程中具有运行平稳、减振降噪、温升降低、废气排放减少、密封性能提高、油脂寿命提高、综合能耗降低、有效延长大修期限、明显降低维护费用的优点。
32.3、本发明的耐磨自修复材料制备方法，方法简单、可操作性强、成本低，可扩宽至其它重载高速重载传动应用领域，赋予轴瓦更优的服役性能和更长的服役寿命，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
33.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例说明如下。
34.在本公开中描述本发明的各方面，示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。
35.本发明提供一种汽轮机轴瓦用耐磨自修复材料，该材料具有抗磨性优、使用寿命长，以及可局部修复的性能，各组份之间具有五个不同粒度尺度，从而使粒度之间形成错配，以此使组分之间形成协同作用，保障了主轴旋转的稳定性，极大地降低了设备的摩擦系数，从而提高了设备的精度和寿命，且使得设备的节能效果更优。
36.在具体的实施例中，一种汽轮机轴瓦用耐磨自修复材料，包含以下质量百分数的原料组成：纳米陶瓷粉0.05％
‑
0.45％；纳米金属复合粉0.15％
‑
0.85％；修复助剂0.05％
‑
0.50％；纳米粉体分散剂0.20％
‑
1％；分散介质97.00％
‑
99.50％；碳纳米管0.05％
‑
0.2％；上述组分质量百分数之和为100％。其中纳米金属复合粉由纳米锡粉、纳米铝粉和纳米铜粉组成，所述修复助剂为氧化锆粉末。氧化锆粉末、纳米陶瓷粉，纳米铜粉，纳米铝粉以及纳米锡粉，彼此之间的粒度中值各不相等，从而形成不同粒径的错配，并且氧化锆粉末、纳米陶瓷粉、纳米铜粉、纳米铝粉以及纳米锡粉的粒径中值大于碳纳米管的管径。
37.在优选的实施例中，所述纳米陶瓷粉的粒径中值为200nm
‑
400nm，纳米锡粉的粒径中值为110nm
‑
120nm，纳米铝粉的粒径中值为90nm
‑
100nm，纳米铜粉的粒径中值为50nm
‑
80nm，氧化锆粉末的粒径中值为40nm
‑
50nm。
38.优选地，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为30nm
‑
40nm，管长为10
‑
20um。
39.在优选的实施例中，所述纳米陶瓷粉至少包含纳米氧化铝粉或纳米立方氮化硼粉中的一种，纳米氧化铝粉的粒径中值为200nm
‑
300nm，纳米立方氮化硼粉的粒径中值为 300nm
‑
400nm；其中，纳米氧化铝粉为纳米
ɑ
‑
al2o3粉。
40.在本发明的实施例中，
ɑ
‑
al2o3纳米氧化铝粉或立方氮化硼的引入，作为弥散分布的硬质点逐渐均匀嵌入轴瓦内衬表面，因为轴瓦工作服役时，实际上属于软质材料膜软质材料，软质相很容易磨损、凹陷，此时凹陷区则可以作为微小储油区，储存润滑油，
ɑ
‑
al2o3或立方氮化硼的硬质点弥散分布，从而大幅度延缓磨损深度的增加，提高轴瓦的服役寿命。
41.在优选的实施例中，根据轴瓦内衬表面材料进行优化选择，纳米铜粉、纳米铝粉和纳米锡粉的质量配比为1:5:5。
42.纳米铝粉和锡粉都是软质相，通过特定的比例组成，可更有利于进入磨损凹坑，从而使粉体自适应的填平，修复该区域，保证了轴瓦服役工况中的主轴旋转稳定性，而特定比例的铜粉可与其他组分协同作用，提高修复层与轴瓦基材的结合力，保障了修复效果。
43.在优选的实施例中，所述氧化锆粉末为t
‑
zro2。
44.在优选的实施例中，所述纳米粉体分散剂至少包含聚磷酸钠、油酸、偏硅酸钠或硅烷偶联剂中的一种；所述分散介质为润滑油，例如，机油。
45.应当理解为，纳米粉体分散剂包括但不限于上述种类，其作用是分散纳米粉体，只需要达到分散作用即可，可根据需求进行选择。
46.应当理解，在本发明提出的汽轮机轴瓦耐磨自修复材料的应用中，由于通常汽轮机的主轴采用中碳合金钢与调质的结合，在经过热处理后的硬度达到hrc22
‑
30，其实际上与轴瓦(巴氏合金)配合工作时，是“软质材料磨损软质材料”，我们更期望获得降低摩擦系数和低磨损量的效果，从而通过小间隙保证同轴度，保证轴瓦与主轴正常工作，因此在本发明的实施例中，粒度之间形成错配使组分之间形成协同作用，尤其是
ɑ
‑
al2o3纳米氧化铝的微量添加起到自填充和自修复软质表面的凹坑的目的，并非利用其硬质材料的耐磨特性，因此起到延缓磨损深度的增加的作用，极大地降低摩擦系数，保障主轴旋转的稳定性。
47.同时，
ɑ
‑
al2o3纳米氧化铝的引入，通过a
‑
al2o3作为弥散分布的硬质点逐渐均匀嵌入轴瓦内衬表面，如前述分析的，轴瓦工作服役中，软质相很容易磨损、凹陷，凹陷区一方面可以作为微小储油区，储存润滑油，而a
‑
al2o3的硬质点弥散分布，可大幅度延缓磨损深度的增加，轴瓦表面的局部有磨损凹坑的，粉体材料自适应的填平修复该区域，提高轴瓦的服役寿命。
48.在另一个优选的实施例中，提供一种前述汽轮机轴瓦用耐磨自修复材料的制备方法，包括以下步骤：
49.将计量好的纳米粉体分散剂加入到分散介质中，充分搅拌均匀，再按比例，先加入纳米金属复合粉，并搅拌均匀，最后按比例加入纳米陶瓷粉、碳纳米管和氧化锆粉末，搅拌至无明显沉淀，得到混合材料；
50.将混合材料进行超声震荡处理，得到抗磨自修复材料。
51.在优选的实施例中，所述纳米陶瓷粉至少包含纳米氧化铝粉或纳米立方氮化硼粉中的一种，纳米氧化铝粉的粒径中值为200nm
‑
300nm，纳米立方氮化硼粉的粒径中值为 300nm
‑
400nm；其中，纳米氧化铝粉为纳米
ɑ
‑
al2o3粉。
52.在优选的实施例中，所述纳米金属复合粉中，纳米铜粉、纳米铝粉和纳米锡粉的质量配比为1:5:5，纳米锡粉的粒径中值为110nm
‑
120nm，纳米铝粉的粒径中值为90nm
‑
100nm，纳米铜粉的粒径中值为50nm
‑
80nm；所述碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为30nm
‑
40nm，管长为10
‑
20um。
53.在优选的实施例中，所述氧化锆粉末为t
‑
zro2，粒度中值为40nm
‑
50nm。
54.在优选的实施例中，超声功率密度为5w/l
‑
10w/l，超声震荡时间为20min
‑
30min。
55.本发明的耐磨自修复材料对高速滑动摩擦副表面的超细研磨、清理吸附，摩擦面间可产生瞬间闪温，耐磨自修复材料发生微烧结、微冶金过程，形成一层金属陶瓷修复层，摩擦面磨损严重时表面凸凹更明显，运动时较多机会产生更高的闪温，耐磨自修复材料发生微烧结、微冶金的机会也越多；随着磨损部位的修复，其运动时不能提供形成修复层所需
要的摩擦能，修复层厚度不再增加。
56.为了便于更好的理解，下面结合具体实例对本发明进行进一步说明，但加工工艺不限于此，且本发明内容不限于此。
57.以下实施例和对比例中纳米铜粉、纳米铝粉和纳米锡粉的质量配比为1:5:5；碳纳米管为多壁碳纳米管。
58.【实施例1】
59.各组分所占自重量百分比为：纳米陶瓷粉(纳米
ɑ
‑
al2o3粉，粒度中值为300nm)：0.10％、纳米金属复合粉(铜粉粒度中值为80nm、铝粉粒度中值为100nm、锡粉粒度中值为110nm)： 0.15％、t
‑
zro2(粒度中值40nm)：0.1％、碳纳米管(管径为30nm，管长为20nm)：0.05％、纳米粉体分散剂(聚磷酸钠)：0.40％、分散介质(机油)：99.2％。
60.先将计量好所需的纳米粉体分散剂加入到分散介质中，充分搅拌均匀；再按上述比例，先加入纳米金属复合粉，搅拌均匀；最后按上述比例，加入纳米陶瓷粉、碳纳米管和t
‑
zro2，搅拌至无明显沉淀；随容器整体放入超声波振荡器中，超声震荡30分钟，超声功率密度为 5w/l，获得产品。
61.【实施例2】
62.各组分所占自重量百分比为：纳米陶瓷粉(纳米立方氮化硼粉粉，粒度中值为400nm)： 0.25％、纳米金属复合粉(铜粉粒度中值为50nm、铝粉粒度中值为90nm、锡粉粒度中值为 110nm)：0.45％、t
‑
zro2(粒度中值40nm)：0.3％、碳纳米管(管径为40nm，管长为10nm)： 0.1％、纳米粉体分散剂(油酸)：0.60％、分散介质(机油)：98.30％。
63.先将计量好所需的纳米粉体分散剂加入到分散介质中，充分搅拌均匀；再按上述比例，先加入纳米金属复合粉，搅拌均匀；最后按上述比例，加入纳米陶瓷、碳纳米管和t
‑
zro2，搅拌至无明显沉淀；随容器整体放入超声波振荡器中，超声震荡40分钟，超声功率密度为 8w/l，获得产品。
64.【实施例3】
65.各组分所占自重量百分比为：纳米陶瓷粉(纳米
ɑ
‑
al2o3粉，粒度中值为200nm；纳米立方氮化硼粉，粒度中值为300nm；质量比为1:1)：0.40％、纳米金属复合粉(铜粉粒度中值为60nm、铝粉粒度中值为100nm、锡粉粒度中值为120nm)：0.80％、t
‑
zro2(粒度中值40nm)： 0.5％、碳纳米管(管径为30nm，管长为10nm)：0.2％、纳米粉体分散剂(偏硅酸钠)：0.90％、分散介质(机油)：97.20％。
66.先将计量好所需的纳米粉体分散剂加入到分散介质中，充分搅拌均匀；再按上述比例，先加入纳米金属复合粉，搅拌均匀；最后按上述比例，加入纳米陶瓷粉、碳纳米管和t
‑
zro2，搅拌至无明显沉淀；随容器整体放入超声波振荡器中，超声震荡60分钟，超声功率密度为 10w/l，获得产品。
67.【实施例4】
68.各组分所占自重量百分比为：纳米陶瓷粉(纳米
ɑ
‑
al2o3粉，粒度中值为300nm；纳米立方氮化硼粉粉，粒度中值为400nm；)：0.40％、纳米金属复合粉(铜粉粒度中值为60nm、铝粉粒度中值为100nm、锡粉粒度中值为120nm)：0.80％、t
‑
zro2(粒度中值50nm)：0.5％、碳纳米管(管径为40nm，管长为20nm)：0.1％、纳米粉体分散剂(硅烷偶联剂)：0.90％、分散介质(机油)：97.30％。
69.先将计量好所需的纳米粉体分散剂加入到分散介质中，充分搅拌均匀；再按上述比例，先加入纳米金属复合粉，搅拌均匀；最后按上述比例，加入纳米陶瓷粉、碳纳米管和t
‑
zro2，搅拌至无明显沉淀；随容器整体放入超声波振荡器中，超声震荡60分钟，超声功率密度为 10w/l，获得产品。
70.【对比例】
71.各组分所占自重量百分比为：纳米陶瓷粉(纳米
ɑ
‑
al2o3粉，粒度中值为300nm；纳米立方氮化硼粉，粒度中值为300nm；质量比为1:1)：0.40％、纳米金属复合粉(铜粉粒度中值为300nm、铝粉粒度中值为300nm、锡粉粒度中值为300nm)：0.80％、t
‑
zro2(粒度中值300nm)： 0.5％、碳纳米管(管径为30nm，管长为10nm)：0.2％、纳米粉体分散剂(偏硅酸钠)：0.90％、分散介质(机油)：97.40％。
72.先将计量好所需的纳米粉体分散剂加入到分散介质中，充分搅拌均匀；再按上述比例，先加入纳米金属复合粉，搅拌均匀；最后按上述比例，加入纳米陶瓷粉、碳纳米管和t
‑
zro2，搅拌至无明显沉淀；随容器整体放入超声波振荡器中，超声震荡60分钟，超声功率密度为 10w/l，获得产品。
73.【性能测试】
74.通过以上实施例和对比例制备的抗磨自修复材料，分别应用于汽轮机主轴
‑
轴瓦润滑系统，进过服役监测，发现对于轮机轴瓦
‑
主轴运动系统运行均有一定的耐磨、延寿效果；其中实施例1获得的耐磨自修复材料具有明显的减震降噪功效(温升降低了6℃、噪音降低)；在此基础上，实施例2已经明显表现出耐磨、修复功效(轴瓦内衬磨损轻微、表面粗糙度降低了5％)；实施例3的抗磨、自修复功效最为显著，其温升降低了10℃，噪音明显更低，表面齿轮啮合表面粗糙度降低了10％，且设备更节能。
75.对比例采用粒径尺度一致的粉末，在对汽轮机主轴
‑
轴瓦润滑系统进行服役监测时，发现虽然对比例的材料也具有一定的抗磨自修复效果(温升降低了8％，表面粗糙度降低了7％)，但其修复性能并不能达到实施例3材料的修复性能，这是由于不同粒径尺度的错配形成更致密的抗磨层，使其具有更好的抗磨效果。
76.本发明的自修复材料在某转炉上时间轴瓦式滑动轴承应用的试验验证，轴瓦材质为巴氏合金(主要合金成分为锡、铅、铜、锑等)，润滑方式为自动油环循环润滑，润滑油牌号ktl46。通过液力耦合器进行调速，最高转速可到600r/min，设备运行5年之后轴瓦损伤，风机最高转速只能达到400r/min，通过本发明的自修复材料的使用200h以上，恢复可调最高速度 600r/min，耗电量下降了6％以上，达到自修复和降低运行成本的效果。
77.如下表为大唐集团旗下某汽轮机使用本发明提出的自修复材料的实验数据，通过数据可以看到，本发明的自修复材料对汽轮机运行过程中主轴与轴瓦之间的磨损起到减、提高运行时间、降低运行成本的显著效果，通过本发明的自修复材料与轴瓦表面的修复处理，减少在出现磨损凹坑时进一步扩大深入的风险，同时，基于自修复材料的填入减少磨损带来的局部振动、冲击引起的运行不良，在极小间隙中保障主轴旋转的稳定性。
[0078][0079][0080][0081]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。