CN102978559A - 一种碳纳米管强化热喷涂涂层及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纳米管强化热喷涂涂层及其制备方法。所述碳纳米管强化热喷涂涂层为97-98.5wt%Ni/Al合金和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.2-0.6mm，或者为97-98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.4-0.7mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.6-1.3mm。所述热喷涂涂层的制备方法包括以下步骤：（1）碳纳米管前处理；（2）喷涂粉末制备；（3）热喷涂；（4）涂层后处理。本发明获得的碳纳米管强化热喷涂涂层具有较高的结合强度、较低的孔隙率，有良好的耐磨、耐腐蚀、抗热震性能。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程领域，具体涉及一种碳纳米管强化热喷涂涂层及其制备方法和应用。
背景技术
热喷涂涂层以其良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能，被大量运用于航空、航天、化工机械、高速印刷包装等行业。但热喷涂得到的涂层内部存在的大量微裂纹、缩孔等缺陷严重影响了涂层的结合性能。提高涂层内部的结合强度已成为热喷涂行业的研究热点。
碳纳米管具有接近完美的管状结构，其平均杨氏模量高达1.8TPa，平均弯曲强度高达14.2GPa，拉伸强度是钢的100倍而密度是钢的1/6，是一种性能优良的复合材料增强相，自被首次制造发现以来即被全世界关注，被广泛应用于材料、微电子、催化剂、医学、生物技术和航空航天等领域。由于其优异的力学性能，被运用于复合材料中起增强作用，如添加至橡胶、塑料薄膜、低熔点金属复合材料中起增韧作用。但是将其运用到热喷涂行业中却未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米管强化热喷涂涂层，该涂层的涂层孔隙率低，结合强度高，有良好的耐磨、耐腐蚀、抗热震性能。
本发明的碳纳米管强化热喷涂涂层为97-98.5wt%Ni/Al合金和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.2-0.6mm或者为97-98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.4-0.7mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.6-1.3mm；
其中，所述碳纳米管经过如下处理：先将碳纳米管与浓硝酸和浓硫酸的混酸混合，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，碳纳米管与混酸混合后加热至75-85℃，加热时间为6-8h，然后过滤、清洗至pH=6-7，120-150℃烘干，烘干后超声分散0.5-1h，过滤、烘干；最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管。
其中，含有前述两种涂层的复合涂层为以Ni/Al合金和碳纳米管组成的涂层作为打底层，以Ni/Al2O3和碳纳米管组成的涂层作为工作层，打底层喷涂在工件表面，工作层喷涂在打底层上。
优选地，本发明的碳纳米管强化热喷涂涂层为97-97.5wt%Ni/Al合金和2.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.2-0.4mm或者为97-97.5wt%Ni/Al2O3粉末和2.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.4-0.5mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.6-0.9mm。
更优选地，本发明的碳纳米管强化热喷涂涂层为97wt%Ni/Al合金和3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.3mm或者为97wt%Ni/Al2O3粉末和3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.5mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.7mm。
其中，所述Ni/Al合金中Ni含量为75-85wt%，Al含量为15-25wt%；所述Ni/Al2O3粉末中Ni的含量为75-85wt%，Al2O3的含量为15-25wt%。
优选地，所述Ni/Al合金中Ni含量为78-82wt%，Al含量为18-22wt%；所述Ni/Al2O3粉末中Ni的含量为77-83wt%，Al2O3的含量为17-23wt%。
最优选地，所述Ni/Al合金中Ni含量为80wt%，Al含量为20wt%；所述Ni/Al2O3粉末中Ni的含量为80wt%，Al2O3的含量为20wt%。
进一步优选地，本发明的碳纳米管强化热喷涂涂层含有打底层和工作层两种涂层，打底层为97wt%Ni/Al合金和3wt%碳纳米管组成的涂层，其中Ni/Al合金中Ni含量为80wt%，Al含量为20wt%；工作层为97wt%Ni/Al2O3和3wt%碳纳米管组成的涂层，其中Ni/Al2O3粉末中Ni的含量为80wt%，Al2O3的含量为20wt%，其中打底层喷涂在工件表面，工作层喷涂在打底层上，打底层厚度为0.25mm，工作层厚度为0.45mm。
本发明的另一目的是提供所述碳纳米管强化热喷涂涂层的制备方法，该制备方法的工艺流程简单，成本低，适用范围广。
本发明碳纳米管强化热喷涂涂层的制备方法包括以下步骤：
（1）碳纳米管前处理：先将碳纳米管与浓硝酸和浓硫酸的混酸混合，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，碳纳米管与混酸混合后加热至75-85℃，加热时间为6-8h，然后过滤、清洗至pH=6-7，120-150℃烘干，烘干后超声分散0.5-1h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：按照前述配比在Ni/Al合金或/和Ni/Al2O3粉末中添加经过上述处理的碳纳米管，并进行球磨混粉处理，制备喷涂粉末；
（3）热喷涂：喷涂前先用火焰对工件表面进行预热，再进行热喷涂，若涂层为97-98.5wt%Ni/Al合金和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，热喷涂的涂层厚度为0.2-0.6mm；若涂层为97-98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，热喷涂的涂层厚度为0.4-0.7mm；若涂层为含有前述两种涂层的复合涂层，热喷涂的涂层厚度为0.6-1.3mm；
（4）涂层后处理：对喷涂好的涂层进行表面加工处理。
其中，步骤（1）中碳纳米管与浓硝酸和浓硫酸的混酸混合的比例为：1g碳纳米管对应30-50ml混酸。
步骤（2）中Ni/Al2O3粉末的制备过程为，将75-85wt%Ni与15-25wt%Al2O3混合后球磨15-17h，转速250-350r/min，球磨中球料质量比为4-6:1;制备喷涂粉末时，球磨混粉处理的球料质量比为4-6:1，转速150-200r/min，球磨时间1-2h。
本发明所述的Ni/Al合金可以通过市购获得。
步骤（3）中喷涂前先用火焰对工件表面预热，预热温度为70-120℃，预热时间为8-12s；热喷涂时火焰的喷涂参数为：O2:1.2-1.5m3/h，C2H2:1.3-1.6m3/h,压缩空气0.4-0.6MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为120-180mm，喷涂角为85-90°，若涂层为97-98.5wt%Ni/Al合金和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，热喷涂的涂层厚度为0.2-0.6mm；若涂层为97-98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，热喷涂的涂层厚度为0.4-0.7mm；若涂层为含有前述两种涂层的复合涂层，热喷涂的涂层厚度为0.6-1.3mm。
优选地，步骤（1）中碳纳米管与浓硝酸和浓硫酸的混酸混合的比例为：1g碳纳米管对应30ml混酸,碳纳米管与混酸混合后加热至75℃，加热时间为6h，然后过滤、清洗至pH=7，120℃烘干，烘干后超声分散1h。
优选地，步骤（2）中Ni/Al2O3粉末的制备过程为，将80wt%Ni与20wt%Al2O3混合后球磨16h，转速300r/min，球磨中球料质量比为5:1;制备喷涂粉末时，球磨混合的球料质量比为5:1，转速180r/min，球磨时间1.5h。
优选地，步骤（3）中喷涂前先用火焰对工件表面预热，预热温度为100℃，预热时间为10s；利用火焰喷涂技术在工件表面上进行热喷涂，热喷涂时火焰的喷涂参数为：O2:1.3m3/h，C2H2:1.4m3/h,压缩空气0.4MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为150mm，喷涂角为90°；若涂层为97-97.5wt%Ni/Al合金和2.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.2-0.4mm或者为97-97.5wt%Ni/Al2O3粉末和2.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.4-0.5mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.6-0.9mm。
最优选地，涂层为97wt%Ni/Al合金和3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.3mm或者为97wt%Ni/Al2O3粉末和3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.5mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.7mm，其中，打底层涂层厚度为0.25mm，工作层厚度为0.45mm。
具体地，本发明碳纳米管强化热喷涂涂层的制备方法包括以下步骤：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应30-50ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至75-85℃，加热时间为6-8h；然后过滤、清洗至pH=6-7，120-150℃烘干，烘干后超声分散0.5-1h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：先制备Ni/Al2O3粉末，其制备过程为，将75-85wt%Ni与15-25wt%Al2O3混合后球磨15-17h，转速250-350r/min，球磨中球料质量比为4-6:1;
制备涂层的喷涂粉末，其制备过程为，将97-98.5wt%Ni/Al合金和1.5-3wt%的（1）中碳纳米管进行混合或者将97-98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5-3wt%的（1）中碳纳米管进行混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为4-6:1，转速150-200r/min，球磨时间1-2h；
（3）热喷涂：喷涂前先用火焰对工件表面进行预热，再进行热喷涂；喷涂前用火焰对工件表面预热的温度为70-120℃，预热时间为8-12s；热喷涂时火焰的喷涂参数为：O2:1.2-1.5m3/h，C2H2:1.3-1.6m3/h,压缩空气0.4-0.6MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为120-180mm，喷涂角为85-90°，若涂层为97-98.5wt%Ni/Al合金和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，热喷涂的涂层厚度为0.2-0.6mm；若涂层为97-98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，热喷涂的涂层厚度为0.4-0.7mm；若涂层为含有前述两种涂层的复合涂层，热喷涂的涂层厚度为0.6-1.3mm；
（4）涂层后处理：对喷涂好的涂层进行表面加工处理。
本发明的又一目的是提供所述碳纳米管强化热喷涂涂层在表面工程领域中的应用。
具体地，本发明的又一目的是提供所述碳纳米管强化热喷涂涂层在热喷涂方面的应用。
其中，本发明针对的Ni/Al合金为热喷涂领域中运用极为广泛的自熔性合金粉末，是一种性能良好的打底层粉末。碳纳米管与Ni/Al合金混合将大大提高热喷涂打底层的性能。同时Ni/Al2O3粉末是性能良好的耐磨涂层材料，提高其结合性能有助于耐磨涂层的推广。
在航空航天领域，发动机喷嘴等部位需要耐高温、耐气体冲蚀，目前已采用喷涂方式在喷嘴处制备局部耐高温，耐冲蚀涂层，这类涂层需要打底层，碳纳米管与Ni/Al合金混合能够增强Ni/Al合金，能更好地被运用到该领域。
矿山机械长期处于严重磨损状态，在磨损严重部位喷涂Ni/Al2O3涂层能有效提高其寿命，因此运用碳纳米管来增强Ni/Al2O3涂层的结合强度，使Ni/Al2O3涂层具有良好的运用前景。
作为一种性能优良的复合材料增强相，碳纳米管已经能进行大规模生产，其价格已较为低廉，而碳纳米管的镀镍包覆球化过程经过试验探索也能进行批量生产，并且热喷涂涂层的运用日益广泛，这使得运用碳纳米管来增强涂层的强度，成为一种有效提高涂层寿命，提高涂层性能的方法。
本发明的碳纳米管强化热喷涂涂层及其制备方法具有以下优点：
（1）与传统的不添加碳纳米管的热喷涂涂层相比，本发明的碳纳米管强化热喷涂涂层的涂层孔隙率降低了30-50%，结合强度提高了60-75%，有良好的耐磨、耐腐蚀、抗热震性能，能够被更加广泛运用于航空、航天、化工机械、高速印刷包装等行业。
（2）本发明的碳纳米管强化热喷涂涂层的制备方法的工艺流程简单，成本低，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的碳纳米管强化热喷涂涂层的制备工艺流程图；
图2是亚音速火焰喷涂涂层截面图；
图3是涂层表面添加碳纳米管前后对照图；（a）为未添加碳纳米管的涂层表面，（b）为添加碳纳米管的涂层表面。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明所用的各材料均为市售产品，其中，未经过处理的碳纳米管购自深圳市纳米港有限公司，Ni、Al2O3、Ni/Al合金购自北京联合涂层技术有限公司。
实施例1
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应30ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至75℃，加热时间为6h；然后过滤、清洗至pH=7，置于烘箱内120℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散1h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：将97wt%Ni/Al合金和3wt%（1）中的碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为5:1，转速180r/min，球磨时间1.5h；
（3）工件表面除油、除锈：将机加工好的印刷包装机涂布辊子表面作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对辊子进行表面喷砂处理，将辊子安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对辊子进行预热，预热温度保持在100℃，时间为10s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，喷涂时亚音速火焰的喷涂参数为：O2:1.3m3/h，C2H2:1.4m3/h,压缩空气0.4MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为150mm，喷涂角为90°，喷涂厚度为0.3mm；
（6）涂层表面磨削加工：喷涂完成后采用外圆磨床对辊子进行粗磨、精磨处理；
（7）抛光处理，封孔包装：对精磨后的涂布辊子进行抛光处理，最后封孔包装。
实施例2
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应40ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至85℃，加热时间为7h；然后过滤、清洗至pH=6，置于烘箱内135℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散0.5h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：先制备Ni/Al2O3粉末，其制备过程为，将80wt%Ni与20wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨17h，转速350r/min，球磨中球料质量比为5:1;
制备涂层的喷涂粉末，其制备过程为，将97wt%Ni/Al2O3粉末和3wt%的（1）中碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为6:1，转速200r/min，球磨时间1h；
（3）工件表面除油、除锈：将机加工好的矿山机械叶轮表面作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对叶轮进行表面喷砂处理，将叶轮安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对叶轮进行预热，预热温度保持在110℃，时间为12s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，亚音速火焰喷涂的喷涂参数为：O2:1.5m3/h，C2H2:1.6m3/h,压缩空气0.5MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为180mm，喷涂角为85°，喷涂厚度为0.5mm；
（6）涂层表面铣削加工：喷涂完成后采用数控铣削技术对叶轮进行表面加工处理；
（7）封孔包装：对加工处理后的叶轮进行封孔处理，最后进行包装。
实施例3
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应50ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至80℃，加热时间为8h；然后过滤、清洗至pH=6,置于烘箱内150℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散40min，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：将98wt%Ni/Al合金和2wt%的（1）中碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为6:1，转速150r/min，球磨时间2h；
（3）工件表面除油、除锈：将机加工好的跨海大桥铰链作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对铰链进行表面喷砂处理，将铰链安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对铰链进行预热，预热温度保持在90℃，时间为9s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为普通火焰喷涂设备，喷涂参数为：O2:1.5m3/h，C2H2:1.6m3/h,压缩空气0.6MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为120mm，喷涂角为90°，喷涂厚度为0.6mm；
（6）涂层表面加工：喷涂完成后采用特种加工技术对铰链进行表面加工处理；
（7）封孔处理，包装：对表面加工处理后的铰链进行石蜡封孔处理，最后进行包装。
实施例4
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应40ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至80℃，加热时间为7h；然后过滤、清洗至pH=7，置于烘箱内140℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散0.5h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：先制备Ni/Al2O3粉末，其制备过程为，将85wt%Ni与15wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨15h，转速300r/min，球磨中球料质量比为4:1;
制备涂层的喷涂粉末，其制备过程为，将98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5wt%的（1）中碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为4:1，转速200r/min，球磨时间1h；
（3）工件表面除油、除锈：将普通45号钢表面作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对钢材表面喷砂处理，将钢材安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对钢材进行预热，预热温度保持在70℃，时间为12s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，亚音速火焰喷涂的喷涂参数为：O2:1.2m3/h，C2H2:1.3m3/h,压缩空气0.5MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为180mm，喷涂角为88°，喷涂厚度为0.7mm；
（6）涂层表面铣削加工：喷涂完成后采用平面磨削加工处理喷涂表面；
（7）封孔包装：对表面加工处理后的钢材进行表面封孔处理，最后进行包装。
实施例5
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应30ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至85℃，加热时间为6h；然后过滤、清洗至pH=7，置于烘箱内130℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散1h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：先制备Ni/Al2O3粉末，其制备过程为，将75wt%Ni与25wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨16h，转速250r/min，球磨中球料质量比为6:1;
制备涂层的喷涂粉末，其制备过程为，将98wt%Ni/Al2O3粉末和2wt%的（1）中碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为5:1，转速200r/min，球磨时间1h；
（3）工件表面除油、除锈：将普通45号钢表面作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对钢材表面喷砂处理，将钢材安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对钢材进行预热，预热温度保持在110℃，时间为8s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，亚音速火焰喷涂的喷涂参数为：O2:1.3m3/h，C2H2:1.4m3/h,压缩空气0.5MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为160mm，喷涂角为85°，喷涂厚度为0.4mm；
（6）涂层表面铣削加工：喷涂完成后采用平面磨床对喷涂表面进行加工处理；
（7）封孔包装：对表面加工处理后的钢材进行表面封孔处理，最后进行包装。
实施例6
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应30ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至75℃，加热时间为6h；然后过滤、清洗至pH=6,置于烘箱内120℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散30min，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：先制备Ni/Al2O3粉末，其制备过程为，将77wt%Ni与23wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨15h，转速250r/min，球磨中球料质量比为4:1;
制备涂层的喷涂粉末，其制备过程为，按照以下配比进行混合：将97wt%Ni/Al合金和3wt%的（1）中碳纳米管混合、将97wt%Ni/Al2O3粉末和3wt%的（1）中碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为5:1，转速150r/min，球磨时间1h；
（3）工件表面除油、除锈：将普通45号钢作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对钢材表面进行喷砂处理，将钢材安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对钢材表面进行预热，预热温度保持在70℃，时间为12s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，喷涂参数为：O2:1.2m3/h，C2H2:1.3m3/h,压缩空气0.4MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为120mm，喷涂角为85°，Ni/Al合金和碳纳米管组成的打底层喷涂厚度为0.2mm，Ni/Al2O3粉末和碳纳米管组成的工作层喷涂厚度为0.4mm；
（6）涂层表面加工：喷涂完成后采用平面磨削加工技术对涂层表面进行加工处理；
（7）封孔处理，包装：对表面加工处理后的钢材进行表面封孔处理，最后进行包装。
实施例7
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应35ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至80℃，加热时间为6.5h；然后过滤、清洗至pH=6.5,置于烘箱内130℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散1h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：先制备Ni/Al2O3粉末，其制备过程为，将80wt%Ni与20wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨16h，转速300r/min，球磨中球料质量比为5:1;
制备涂层的喷涂粉末，其制备过程为，按照以下配比进行混合：将97wt%Ni/Al合金和3wt%的（1）中碳纳米管混合、将97wt%Ni/Al2O3粉末和3wt%的（1）中碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为6:1，转速200r/min，球磨时间2h；
（3）工件表面除油、除锈：将普通45号钢表面作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对钢材表面进行表面喷砂处理，将钢材安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对钢材表面进行预热，预热温度保持在100℃，时间为9s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，喷涂参数为：O2:1.3m3/h，C2H2:1.4m3/h,压缩空气0.4MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为150mm，喷涂角为90°，Ni/Al合金和碳纳米管组成的涂层喷涂厚度为0.25mm，Ni/Al2O3粉末和碳纳米管组成的涂层喷涂厚度为0.45mm；
（6）涂层表面加工：喷涂完成后采用平面磨削加工技术对钢材表面进行表面加工处理；
（7）封孔处理，包装：对表面加工处理后的钢材进行表面封孔处理，最后进行包装。
实施例8
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应50ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至85℃，加热时间为8h；然后过滤、清洗至pH=7,置于烘箱内150℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散1h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：先制备Ni/Al2O3粉末，其制备过程为，将83wt%Ni与17wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨17h，转速350r/min，球磨中球料质量比为6:1;
制备涂层的喷涂粉末，其制备过程为，按照以下配比进行混合：将98.5wt%Ni/Al合金和1.5wt%的（1）中碳纳米管混合、将98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5wt%的（1）中碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为6:1，转速200r/min，球磨时间2h；
（3）工件表面除油、除锈：将普通45号钢作为工件，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对钢材进行表面喷砂处理，将钢材安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对钢材进行预热，预热温度保持在110℃，时间为8s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，喷涂参数为：O2:1.5m3/h，C2H2:1.6m3/h,压缩空气0.6MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为180mm，喷涂角为90°，Ni/Al合金和碳纳米管组成的打底层喷涂厚度为0.4mm，Ni/Al2O3粉末和碳纳米管组成的工作层喷涂厚度为0.5mm；
（6）涂层表面加工：喷涂完成后采用平面磨削加工技术对涂层表面进行加工处理；
（7）封孔处理，包装：对表面加工处理后的钢材进行表面封孔处理，最后进行包装。
实施例9
按照以下步骤制备碳纳米管强化热喷涂涂层，制备工艺流程图如图1所示：
（1）碳纳米管前处理：将碳纳米管进行纯化、除杂处理，将碳纳米管添加至浓硝酸和浓硫酸的混酸中，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，其中碳纳米管与混酸的比例为1g碳纳米管对应30ml混酸,将碳纳米管与混酸混合后加热至75℃，加热时间为6h；然后过滤、清洗至pH=7,置于烘箱内120℃烘干，烘干后置于超声波震荡器中超声分散1h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：先制备Ni/Al2O3粉末，其制备过程为，将80wt%Ni与20wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨16h，转速300r/min，球磨中球料质量比为5:1;
制备涂层的喷涂粉末，其制备过程为，按照以下配比进行混合：将98wt%Ni/Al合金和2wt%的（1）中碳纳米管混合、将98wt%Ni/Al2O3粉末和2wt%的（1）中碳纳米管混合，对混合后的粉末进行球磨混粉处理，球料质量比为6:1，转速200r/min，球磨时间2h；
（3）工件表面除油、除锈：将普通45号钢表面作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（4）工件表面喷砂、预热：喷涂前对钢材表面进行表面喷砂处理，将钢材安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对钢材表面进行预热，预热温度保持在100℃，时间为10s；
（5）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，喷涂参数为：O2:1.3m3/h，C2H2:1.4m3/h,压缩空气0.4MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为150mm，喷涂角为90°，Ni/Al合金和碳纳米管组成的打底层喷涂厚度为0.6mm，Ni/Al2O3粉末和碳纳米管组成的工作层喷涂厚度为0.7mm；
（6）涂层表面加工：喷涂完成后采用平面磨削加工技术对钢材表面进行表面加工处理；
（7）封孔处理，包装：对表面加工处理后的钢材进行表面封孔处理，最后进行包装。
对比例1
按照以下步骤制备不添加碳纳米管的热喷涂涂层：
（1）喷涂粉末制备：将80wt%Ni与20wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨16h，转速300r/min，球磨中球料质量比为5:1，制备Ni/Al2O3喷涂粉末，备用；
（2）工件表面除油、除锈：将普通45号钢表面作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（3）工件表面喷砂、预热：喷涂前对钢材表面进行表面喷砂处理，将钢材安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对钢材表面进行预热，预热温度保持在100℃，时间为10s；
（4）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，喷涂参数为：O2:1.3m3/h，C2H2:1.4m3/h,压缩空气0.4MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为150mm，喷涂角为90°，喷涂厚度为0.5mm；
（5）涂层表面加工：喷涂完成后采用平面磨削加工技术对钢材表面进行表面加工处理；
（6）封孔处理，包装：对表面加工处理后的钢材进行表面封孔处理，最后进行包装。
对比例2
按照以下步骤制备不添加碳纳米管的热喷涂复合涂层：
（1）喷涂粉末制备：将80wt%Ni与20wt%Al2O3混合后置于行星式球磨机中球磨16h，转速300r/min，球磨中球料质量比为5:1，制备Ni/Al2O3喷涂粉末，备用；同时准备好Ni含量为80wt%，Al含量为20wt%的Ni/Al合金（可以市购获得），备用；
（2）工件表面除油、除锈：将普通45号钢表面作为工件表面，对其进行表面预处理，先对表面进行检查，观察是否有裂纹、龟裂等缺陷，然后除油、除锈；
（3）工件表面喷砂、预热：喷涂前对钢材表面进行表面喷砂处理，将钢材安装在喷涂工作平台上进行喷涂操作，喷涂前先对钢材表面进行预热，预热温度保持在100℃，时间为10s；
（4）热喷涂：喷涂时采用的喷涂设备为亚音速火焰喷涂设备，喷涂参数为：O2:1.3m3/h，C2H2:1.4m3/h,压缩空气0.4MPa，采用氧气送粉，喷涂距离为150mm，喷涂角为90°，先喷涂Ni/Al合金作为打底层，喷涂厚度为0.25mm，再喷涂Ni/Al2O3粉末作为工作层，喷涂厚度为0.45mm；
（5）涂层表面加工：喷涂完成后采用平面磨削加工技术对钢材表面进行表面加工处理；
（6）封孔处理，包装：对表面加工处理后的钢材进行表面封孔处理，最后进行包装。
根据GB/T8642-2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》测定实施例1-5和对比例1获得的热喷涂涂层的结合强度，如表1所示：
表1 不同碳纳米管添加量的涂层的结合强度
根据GB/T 8642-2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》测定实施例6-9和对比例2获得的热喷涂复合涂层的结合强度，如表2所示：
表2 不同碳纳米管添加量的复合涂层的结合强度
由表1和表2可以看出，本发明获得的碳纳米管强化热喷涂涂层，具有较高的结合强度，与不添加碳纳米管的涂层相比，本制备方法制得的碳纳米管强化热喷涂涂层的结合强度提高了60-75%。
本发明实施例中所用亚音速火焰喷涂设备获得的涂层截面图如图2所示；
涂层表面添加碳纳米管前后对照图如图3所示：其中，（a）为未添加碳纳米管的涂层表面，（b）为添加碳纳米管的涂层表面，由图3可以看出，与不添加碳纳米管的涂层相比，本发明获得的碳纳米管强化热喷涂涂层的内部孔隙率明显降低。
通过Image-Pro Plus软件测定比较，与不添加碳纳米管的涂层相比，本发明获得的碳纳米管强化热喷涂涂层的孔隙率降低了30-50%。
实验结果显示：在喷涂粉末中添加适量的碳纳米管能有效提高涂层的结合强度，降低涂层的孔隙率，与不添加碳纳米管的涂层相比，本制备方法制得的碳纳米管强化热喷涂涂层的结合强度提高了60-75%，孔隙率降低了30-50%，于此同时，使涂层获得良好的耐磨、耐腐蚀、抗热震性能。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种碳纳米管强化热喷涂涂层，其特征在于，所述碳纳米管强化热喷涂涂层为97-98.5wt%Ni/Al合金和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.2-0.6mm或者为97-98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.4-0.7mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.6-1.3mm；
其中，所述碳纳米管经过如下处理：先将碳纳米管与浓硝酸和浓硫酸的混酸混合，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，碳纳米管与混酸混合后加热至75-85℃，加热时间为6-8h，然后过滤、清洗至pH=6-7，120-150℃烘干，烘干后超声分散0.5-1h，过滤、烘干；最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管强化热喷涂涂层，其特征在于，所述涂层为97-97.5wt%Ni/Al合金和2.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.2-0.4mm或者为97-97.5wt%Ni/Al2O3粉末和2.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.4-0.5mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.6-0.9mm。
3.根据权利要求2所述的碳纳米管强化热喷涂涂层，其特征在于，所述涂层为97wt%Ni/Al合金和3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.3mm或者为97wt%Ni/Al2O3粉末和3wt%碳纳米管组成的涂层，涂层厚度为0.5mm或者为含有前述两种涂层的复合涂层，涂层厚度为0.7mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的碳纳米管强化热喷涂涂层，其特征在于，所述Ni/Al合金中Ni含量为75-85wt%，Al含量为15-25wt%；所述Ni/Al2O3粉末中Ni的含量为75-85wt%，Al2O3的含量为15-25wt%。
5.根据权利要求4所述的碳纳米管强化热喷涂涂层，其特征在于，所述Ni/Al合金中Ni含量为78-82wt%，Al含量为18-22wt%；所述Ni/Al2O3粉末中Ni的含量为77-83wt%，Al2O3的含量为17-23wt%。
6.根据权利要求5所述的碳纳米管强化热喷涂涂层，其特征在于，所述Ni/Al合金中Ni含量为80wt%，Al含量为20wt%；所述Ni/Al2O3粉末中Ni的含量为80wt%，Al2O3的含量为20wt%。
7.制备权利要求1-6中任一项所述的碳纳米管强化热喷涂涂层的方法，该制备方法包括以下步骤：
（1）碳纳米管前处理：先将碳纳米管与浓硝酸和浓硫酸的混酸混合，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1，碳纳米管与混酸混合后加热至75-85℃，加热时间为6-8h，然后过滤、清洗至pH=6-7，120-150℃烘干，烘干后超声分散0.5-1h，过滤、烘干，最后进行敏化、活化、镀镍包覆球化处理，得到镀镍碳纳米管；
（2）喷涂粉末制备：按照前述配比在Ni/Al合金或/和Ni/Al2O3粉末中添加经过上述处理的碳纳米管，并进行球磨混粉处理，制备喷涂粉末；
（3）热喷涂：喷涂前先用火焰对工件表面进行预热，再进行热喷涂，若涂层为97-98.5wt%Ni/Al合金和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，热喷涂的涂层厚度为0.2-0.6mm；若涂层为97-98.5wt%Ni/Al2O3粉末和1.5-3wt%碳纳米管组成的涂层，热喷涂的涂层厚度为0.4-0.7mm；若涂层为含有前述两种涂层的复合涂层，热喷涂的涂层厚度为0.6-1.3mm；
（4）涂层后处理：对喷涂好的涂层进行表面加工处理。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中碳纳米管与浓硝酸和浓硫酸的混酸混合的比例为：1g碳纳米管对应30-50ml混酸。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中Ni/Al2O3粉末由以下方法制备：将75-85wt%Ni与15-25wt%Al2O3混合后球磨15-17h，转速250-350r/min，球磨中球料质量比为4-6:1;制备喷涂粉末时，球磨混粉处理的球料质量比为4-6:1，转速150-200r/min，球磨时间1-2h。
10.权利要求1-6中任一项所述的碳纳米管强化热喷涂涂层在表面工程领域中的应用。
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Granted publication date: 20150211 Termination date: 20171130 |