CN104073756A - 用于监测基体表面损伤的智能涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于监测基体表面损伤的智能涂层及其制备方法，该方法在基体表面复合强化层，所述强化层包含压电材料的连续相及其颗粒；在所述强化层上复合传感层，所述传感层主要由所述压电材料的连续相形成，经极化，得到用于监测基体表面损伤的智能涂层。本发明主要采用压电材料形成智能涂层中的传感层，其具有压电效应，可直接对零件表面磨损状态实时监控、反馈，而无需粘贴或在外围布置压电传感器，这可以避免传感器和基体之间结合度差的问题。本发明在基体与传感层之间增加强化层，其包含所述压电材料的连续相及其颗粒，是一种复合结构层，能强化传感层附着于基体的能力，进一步提高与设备基体的结合度，从而赋予智能涂层较好的耐久性。

Description

用于监测基体表面损伤的智能涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，特别涉及一种用于监测基体表面的智能涂层及其制备方法。

背景技术

为了提高一些机械零件如齿轮、活塞和气缸等的耐磨性，通常在这些零件的表面设置耐磨涂层。然而，这些零件在长期服役过程中，其先天存在的原生性微缺陷仍会慢慢累积，并且可能会与后发性微损伤相互作用，最终从量变转为质变而产生致命的损坏。如果在零件质变损坏产生之前能够获得一个确定的信号，或者能够精确掌握零件微小损伤累积量变的全程，就可以尽量地避免发生事故。

当前的零件表面疲劳磨损试验多以震动、摩擦系数和温度等因素的变化作为评估零件表面磨损状态的判断依据，当选定的判断因素的实际值超过了预设的门槛值，则说明零件表面失效，然后对失效零件进行断口分析，通过经验或经典理论反向推断，从而得出失效机理。但是，这种以“事后判断”为主的失效行为与机理研究，不能准确判断零件表面的临界失效状态，无法建立可动态监测并控制零件表面失效的掌控机制。

而现有的在线监控零件表面损伤主要依靠布置可收集零件工作状态信息的压电传感器，通过整理、分析传感器输出的信号，来把握表面涂层服役状态的变化过程。其中，所述压电传感器是利用现有的压电材料如钛酸钡、钛酸铅的压电效应制备的，应用时，需要将其布置在服役涂层的周边，或者粘贴到机械设备或零件上。

但是，由于一些机械设备的结构复杂或工作环境恶劣，所述压电传感器与设备或零件间的结合度差，造成了压电传感器的检测精度差，甚至脱落的问题。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于监测基体表面损伤的智能涂层及其制备方法，本发明提供的智能涂层具有压电效应，且与设备基体的结合度高，进而能避免压电传感器检测精度差，甚至脱落的问题。

本发明提供一种用于监测基体表面损伤的智能涂层，包括：

复合在基体表面的强化层，所述强化层包含压电材料的连续相及其颗粒；

复合在所述强化层上的传感层，所述传感层主要由所述压电材料的连续相形成。

优选的，所述压电材料的连续相及其颗粒中，所述压电材料为PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃。

优选的，在基体表面与强化层之间，还包括第一绝缘层。

优选的，所述传感层包括：

多个第一传感单元，所述多个第一传感单元设置在所述强化层上，沿第二方向排列，且所述多个第一传感单元沿第一方向延伸；

第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖在所述多个第一传感单元和强化层上；

多个第二传感单元，所述多个第二传感单元设置在所述第二绝缘成上，沿第一方向排列，且所述多个第二传感单元沿第二方向延伸；

其中，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元由所述压电材料形成。

优选的，所述第一绝缘层和第二绝缘层各自独立地为氧化铝与氧化钛的复合层、氧化铝层或氧化钛层。

优选的，还包括耐磨层，所述耐磨层覆盖在所述多个第二传感单元和第二绝缘层上。

优选的：

第一上电极，所述第一上电极设置在所述多个第一传感单元上表面边缘；

第一下电极，所述第一下电极设置在所述多个第一传感单元下表面边缘；

第二上电极，所述第二上电极设置在所述多个第二传感单元表面上；

第二下电极，所述第二下电极设置在所述多个第二传感单元下表面边缘。

本发明还提供一种用于监测基体表面损伤的智能涂层的制备方法，包括以下步骤：

在基体表面复合强化层，所述强化层包含压电材料的连续相及其颗粒；

在所述强化层上复合传感层，所述传感层主要由所述压电材料的连续相形成，经极化，得到用于监测基体表面损伤的智能涂层。

优选的，所述压电材料的连续相及其颗粒中，所述压电材料为PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃。

优选的，所述强化层通过超音速等离子喷涂压电材料的粉料形成，所述粉料包括平均粒径为D1的第一粉料和平均粒径为D2的第二粉料，所述D1为4微米～6微米，D2为18微米～22微米，所述第一粉料与第二粉料的质量之比为(2～6)：1。

与现有技术相比，在基体表面，本发明首先复合强化层，所述强化层包含压电材料的连续相及其颗粒；然后在所述强化层上复合传感层，所述传感层主要由所述压电材料的连续相形成，经极化，得到用于监测基体表面损伤的智能涂层。本发明主要采用压电材料形成智能涂层中的传感层，其具有压电效应，可以直接对零件表面的磨损状态实时监控、反馈，而无需通过粘贴或在外围布置的方式，这样可以避免压电传感器和设备零件之间结合度差的问题。在基体与传感层之间，本发明增加复合了强化层，其包含所述压电材料的连续相及其颗粒，是一种复合结构层，能强化传感层附着于基体的能力，进一步提高与设备基体的结合度，从而赋予智能涂层较好的耐久性。因此，本发明能避免压电传感器检测精度差，甚至脱落的问题。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的智能涂层的俯视图；

图2为本发明一个实施例提供的智能涂层沿B-B’线的剖面图；

图3为本发明测试涂层结合强度的喷涂试样图；

图4为本发明测试涂层结合强度的拉伸试样图；

图5为本发明实施例1制备智能涂层的主要流程图；

图6为本发明实施例1制备的钛酸铅强化层的表面形貌；

图7为本发明实施例1制备的钛酸铅强化层的截面形貌；

图8为本发明实施例1～6和比较例1～6提供的涂层与基体的结合强度。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明提供了一种用于监测基体表面损伤的智能涂层，包括：

复合在基体表面的强化层，所述强化层包含压电材料的连续相及其颗粒；

复合在所述强化层上的传感层，所述传感层主要由所述压电材料的连续相形成。

本发明提供的智能涂层具有压电效应，并且能紧密复合在零件等基体表面，耐久性好，可以更好地对零件表面的磨损状态进行实时监控、反馈。

本发明所述智能涂层可用于监测基体表面的损伤情况，其中，所述基体可以为任意形状，即所述基体可以为任意形状的零件或设备。所述基体优选为金属基体，更优选为45#钢基体。在实际应用中，所述基体可以为蒸汽透平机、压缩机、泵的运动零件，还可为齿轮、轴、活塞销等零件(零件需经高频或火焰表面淬火)，并可以为铸件。或者，所述基体为铜基体或铝基体，以适应其他场合应用的部件。

所述智能涂层包括传感层，其主要是压电材料的连续相层，也就是主要由压电材料的连续相形成。所述压电材料具有压电性能，是受到压力作用时会在两端面间产生电压的晶体材料，可用于制备压电传感器。在本发明中，所述压电材料优选为PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃。

所述传感层的粉料粒度优选为40μm～60μm，更优选为45μm～55μm。所述传感层的厚度优选为50μm～100μm，更优选为60μm～80μm。传感层太薄，监测不准确。而过厚的传感层会出现电信号不稳定，这是因为过厚的涂层内部的大量气孔和裂纹会弱化电荷在涂层中的传输效率；并且由于涂层太厚容易形成更多的孔隙和裂纹，也会影响涂层质量，导致涂层首先失效。另外，涂层太厚还会给喷涂过程带来一定的麻烦。

本发明主要采用压电材料形成智能涂层中的传感层，其具有压电效应，可以直接对零件表面的磨损状态实时监控、反馈，而无需通过粘贴或在外围布置的方式，这样可以避免压电传感器和设备零件之间结合度差的问题。

在所述传感层与基体之间，所述智能涂层包括强化层，其复合在基体表面，而传感层复合在所述强化层上。所述强化层由所述压电材料形成，并且包含的是压电材料的连续相及其颗粒，也就是说，所述强化层包含基本连续的基质和分散在所述基质中的颗粒，这是一种复合结构层，能强化传感层附着于基体的能力，进一步提高与设备基体的结合度，从而赋予智能涂层较好的耐久性。所述强化层的厚度优选为20μm～40μm，更优选为30μm。

在本发明一个实施例中，所述压电材料为PbTiO₃，那么，在所述强化层中，连续相是PbTiO₃发生严重铅损失而形成的贫铅相，颗粒是发生很少铅损失而形成的PbTiO₃颗粒；所述传感层主要由钛酸铅的连续相形成，即为钛酸铅层。在本发明另一个实施例中，所述压电材料为PbZr_0.52Ti_0.48O₃，那么，在所述强化层中，连续相是PbZr_0.52Ti_0.48O₃发生严重铅损失而形成的贫铅相，颗粒是发生很少铅损失而形成的PbZr_0.52Ti_0.48O₃颗粒；所述传感层主要由PbZr_0.52Ti_0.48O₃的连续相形成，即为钛酸铅锆层。

在上述两个实施例中，所述贫铅相是铅成分损失很严重而获得的一种或更多种相，可以是含铅且富含二氧化钛的相或者是贫铅的钛酸铅铁电体，Pb：Ti的质量比显著小于1；而所述颗粒是铅成分损失很少而获得的基本化学计量的钛酸铅(相)，Pb：Ti的质量比大体为1。所述颗粒和贫铅相之间具有显著不同的机械性能，利用这种性能差异，复合的结构能够显著降低裂纹扩展的阻力，从而提高涂敷层的结合力，使得后面形成的钛酸铅层或钛酸铅锆层(也就是传感层)具有更耐久的粘附性。

在基体表面与强化层之间，所述智能涂层优选还包括第一绝缘层。在本发明中，所述第一绝缘层优选为氧化铝与氧化钛的复合层、氧化铝层或氧化钛层。所述第一绝缘层的厚度优选为20μm～40μm，更优选为25μm～35μm。

所述智能涂层优选还包括耐磨层，其覆盖在所述传感层上。所述耐磨层为表面层，既能作为“装甲”，抵挡来自外界的应力接触并起到保护作用，又能作为一个电极和导体将信号输出。

所述耐磨层的制作材料优选为FeCrBSi合金，即形成铁铬硼硅涂层。所述FeCrBSi合金价格便宜，与压电材料的结合度好，且耐磨性好，所以优选采用所述FeCrBSi合金作为耐磨层的制作材料，可以进一步的增大零件表面的耐磨性。所述耐磨层的厚度优选为200μm～300μm，更优选为230μm～250μm；所述耐磨层的粉料粒度优选为40μm～70μm，更优选为50μm～60μm。

为了进一步提高检测精度，在本发明中，所述传感层优选包括：

多个第一传感单元，所述多个第一传感单元设置在所述强化层上，沿第二方向排列，且所述多个第一传感单元沿第一方向延伸；

第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖在所述多个第一传感单元和强化层上；

多个第二传感单元，所述多个第二传感单元设置在所述第二绝缘成上，沿第一方向排列，且所述多个第二传感单元沿第二方向延伸；

其中，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元由所述压电材料形成。

另外，本发明所述智能涂层优选还包括：

第一上电极，所述第一上电极设置在所述多个第一传感单元上表面边缘；

第一下电极，所述第一下电极设置在所述多个第一传感单元下表面边缘；

第二上电极，所述第二上电极设置在所述多个第二传感单元表面上；

第二下电极，所述第二下电极设置在所述多个第二传感单元下表面边缘。

参见图1和图2，图1为本发明一个实施例提供的智能涂层的俯视图，图2为本发明一个实施例提供的智能涂层沿B-B’线的剖面图。

在图1和图2中，1是基体，2是第一绝缘层，2+是强化层，3是多个第一传感单元，31是第一上电极，32是第一下电极，4是第二绝缘层，5是多个第二传感单元，51是第二上电极，52是第二下电极，6是耐磨层。

在本发明实施例中，多个第一传感单元、第二绝缘层和多个第二传感单元等构成传感层。

其中，所述多个第一传感单元3设置在所述强化层2+上，呈长条状，宽度为2mm～4mm，优选为3mm；厚度为50μm～100μm；相邻的两个第一传感单元之间的距离为2mm～4mm，优选为3mm。所述多个第一传感单元3沿第二方向排列，且沿第一方向延伸。作为优选，所述第一方向与第二方向相互垂直，或近于垂直。所述多个第一传感单元由所述压电材料形成，优选由PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃形成。

所述第二绝缘层4覆盖在所述多个第一传感单元3和强化层2+上，且所述第二绝缘层4优选为氧化铝与氧化钛的复合层、氧化铝层或氧化钛层。另外，所述第二绝缘层优选与第一绝缘层的材料相同；厚度优选也相同。

所述多个第二传感单元5设置在所述第二绝缘层4上，呈长条状，宽度为2mm～4mm，优选为3mm；厚度为50μm～100μm；相邻的两个第二传感单元之间的距离为2mm～4mm，优选为3mm。所述多个第二传感单元5沿第一方向排列，且沿第二方向延伸。所述多个第二传感单元由所述压电材料形成，优选由PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃形成。

相应地，所述耐磨层6覆盖在所述多个第二传感单元和第二绝缘层上。

所述第一上电极31设置在所述多个第一传感单元3上表面边缘，所述第一下电极32设置在所述多个第一传感单元3下表面边缘，所述第一上电极31和第一下电极32为所述多个第一传感单元3对涂层损伤产生的电流的导出电极。

所述第二上电极51设置在所述多个第二传感单元5表面上，所述第二下电极52设置在所述多个第二传感单元5下表面边缘，所述第二上电极51和第二下电极52为所述多个第二传感单元5对涂层损伤产生的电流的导出电极。

此外，所述第一上电极31、第一下电极32、第二上电极51和第二下电极52还需要连接引线，以将所述电流导出。

优选的，所述第一上电极31、第一下电极32、第二上电极51和第二下电极52均为金电极，以提高导电性，降低电流的损耗。并且，所述第一上电极31、第一下电极32、第二上电极51和第二下电极52均设置在所述涂层的非磨损部位，以避免由于零件表面涂层磨损对电极的影响。

在本申请实施例所提供的智能涂层中，多个第一传感单元3和多个第二传感单元5具有压电效应，可以对零件表面的磨损状态实时监控、反馈，因此无需再粘贴传感器，与现有的通过粘贴来结合的传感器和基体相比，本申请所提供的智能涂层可以避免传感器和零件之间粘合度差的问题。

同时，所述多个第一传感单元3沿第一方向延伸，所述多个第二传感单元5沿第二方向延伸，二者相互交叉，呈网格状，则在零件表面(可以是耐磨层6)受到损伤的时候，所述多个第一传感单元3和多个第二传感单元5均会产生电信号，而且距离损伤位置最近的第一传感单元3所产生的电信号最强，同样，距离损伤位置最近的第二传感单元5所产生的电信号也是最强的，且所述第一传感单元3与第二传感单元5之间绝缘，第一传感单元3所产生的电信号和第二传感单元5产生的电信号之间不会相互干扰，通过对最强电信号的检测，可以精确定位损伤位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。

并且，所述多个第一传感单元3与基体1之间设置有第一绝缘层2，则可以避免所述多个第一传感单元3产生的电信号流入基体1，即避免电信号的损失，增大对损伤的检测灵敏度。

可见，在收集零件表面涂层(耐磨层6)的磨损损伤或微断裂时，所述智能涂层发出的电流可以作为特征信号来完成对涂层临界失效状态的判断，即对零件表面涂层状态的判断模式为“完整…较完整…未失效…临界失效…失效”的多选式的连续判断模式，从而完成对零件表面涂层的失效演变过程的实时、在线和动态掌握，并可以精确定位磨损位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。

需要说明的是，对于第一传感单元3和第二传感单元5而言，更小的宽度和更小间距可以增大所述智能涂层的定位精度，因此在不同的需求下，可以相应的改动传感单元的宽度和间距，或者改变第一传感单元3和第二传感单元5的形状，以增大其适用范围。

相应地，本发明还提供了一种用于监测基体表面损伤的智能涂层的制备方法，包括：

在基体表面复合强化层，所述强化层包括压电材料的连续相及其颗粒；

在所述强化层上复合传感层，所述传感层主要由所述压电材料的连续相形成，经极化，得到用于监测基体表面损伤的智能涂层。

本发明制备的智能涂层具有压电效应，且与设备基体的结合度高，耐久性好，进而能避免压电传感器检测精度差，甚至脱落的问题。

首先，本发明实施例采用压电材料，在基体表面复合强化层。

在本发明中，所述基体可以为任意形状，即所述基体可以为任意形状的零件或设备。所述基体优选为金属基体，更优选为45#钢基体。在实际应用中，所述基体可以为蒸汽透平机、压缩机、泵的运动零件，还可为齿轮、轴、活塞销等零件(零件需经高频或火焰表面淬火)，并可以为铸件。或者，所述基体为铜基体或铝基体，以适应其他场合应用的部件。

在对基体表面复合强化层之前，本发明优选还包括对其进行预处理，以得到粗糙的基体表面，利于提高基体与涂层之间的结合度。

具体的，所述预处理包括：采用喷砂工艺处理所述基体表面，在所述喷砂工艺中，优选以棕刚玉为砂料；所述棕刚玉的粒度优选为15目～30目，更优选为16目～24目；喷砂的气压优选为0.5MPa～1MPa，更优选为0.6MPa～0.8MPa；喷砂的角度优选为30°～60°，更优选为45°；喷砂的距离优选为130mm～160mm，更优选为145mm。

在对基体表面复合强化层之前，或者在对其进行预处理之前，本发明优选还包括对所述基体进行淬火处理，以提高所述基体的硬度，所述硬度一般达到HRC55左右。

本发明采用压电材料在基体表面进行复合，得到强化层。所述压电材料具有压电性能，是受到压力作用时会在两端面间产生电压的晶体材料，可用于制备压电传感器，优选为PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃。

本发明基体表面复合的强化层包含的是压电材料的连续相及其颗粒，也就是说，所述强化层包含基本连续的基质和分散在所述基质中的颗粒，这是一种复合结构层，能强化传感层附着于基体的能力，进一步提高与设备基体的结合度，从而赋予智能涂层较好的耐久性。所述强化层的厚度优选为20μm～40μm，更优选为30μm。

在本发明一个实施例中，所述压电材料为PbTiO₃，那么，在所述强化层中，连续相是PbTiO₃发生严重铅损失而形成的贫铅相，颗粒是发生很少铅损失而形成的PbTiO₃颗粒。在本发明另一个实施例中，所述压电材料为PbZr_0.52Ti_0.48O₃，那么，在所述强化层中，连续相是PbZr_0.52Ti_0.48O₃发生严重铅损失而形成的贫铅相，颗粒是发生很少铅损失而形成的PbZr_0.52Ti_0.48O₃颗粒。

在上述两个实施例中，所述贫铅相是铅成分损失很严重而获得的一种或更多种相，可以是含铅且富含二氧化钛的相或者是贫铅的钛酸铅铁电体，Pb：Ti的质量比显著小于1；而所述颗粒是铅成分损失很少而获得的基本化学计量的钛酸铅(相)，Pb：Ti的质量比大体为1。所述颗粒和贫铅相之间具有显著不同的机械性能，利用这种性能差异，复合的结构能够显著降低裂纹扩展的阻力，从而提高涂敷层的结合力，使得后面形成的钛酸铅层或钛酸铅锆层(也就是传感层)具有更耐久的粘附性。

作为优选，所述强化层通过超音速等离子喷涂压电材料的粉料形成。超音速等离子喷涂工艺属于热喷涂工艺中的一种，是制备表面涂层的重要工艺。在超音速等离子喷涂工艺过程中，会产生较高温度的等离子火焰流，可以将各种喷涂材料加热至熔融状态，这样不但可以制备高质量的金属和合金涂层，还可以制备高熔点的陶瓷和金属陶瓷涂层，从而大大提高涂层的耐磨性。

在通过超音速等离子喷涂形成强化层的工艺中，喷涂用粉料包括平均粒径为D1的第一粉料和平均粒径为D2的第二粉料。其中，所述第一粉料与第二粉料的质量比优选为(2～6)：1，更优选为(3～5)：1。所述D1优选为4微米～6微米，D2优选为18微米～22微米。

在所述喷涂过程中，喷涂电压为110V～130V，优选为120V；喷涂电流为370A～400A，优选为375A；喷涂功率为30kW～50kW，优选为49kW；喷涂距离为100mm～120mm，优选为110mm。

其中，改变功率能够改变熔化状态；改变冷却条件可以改变铅损失状态，例如在等离子喷涂基体前，提供冷却手段，降低铅损失；改变粉料组成能改变沉积层组成和结构，例如提供过量铅可以形成化学计量的钛酸铅或钛锆酸铅，也可以形成富铅相。

上述超音速等离子喷涂工艺使得第一粉料完全熔化，第二粉料发生部分熔化，从而形成包含连续相基质和分散在所述连续相基质中的颗粒的强化层。

在基体表面复合强化层之前，本发明优选还包括在基体表面复合第一绝缘层。

在本发明中，所述第一绝缘层优选为氧化铝与氧化钛的复合层、氧化铝层或氧化钛层。所述第一绝缘层的厚度优选为20μm～40μm，更优选为25μm～35μm。本发明优选通过超音速等离子喷涂工艺在基体表面复合第一绝缘层，喷涂工艺具体包括：

喷涂电压为110V～130V，优选为120V；喷涂电流为370A～400A，优选为385A；喷涂功率为30kW～50kW，优选为40kW；喷涂距离为100mm～120mm，优选为110mm。

得到复合有强化层的基体表面后，本发明实施例在所述强化层上复合传感层，经极化，得到用于监测基体表面损伤的智能涂层。

本发明主要采用压电材料的连续相形成智能涂层中的传感层，所述压电材料优选为PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃，其具有压电效应，可以直接对零件表面的磨损状态实时监控、反馈，而无需通过粘贴或在外围布置的方式，这样可以避免压电传感器和设备零件之间结合度差的问题。

本发明优选采用超音速等离子喷涂形成传感层，所述传感层的粉料粒度优选为40μm～60μm，更优选为45μm～55μm。所述喷涂工艺具体包括：

喷涂电压为110V～130V，优选为120V；喷涂电流为350A～380A，优选为365A；喷涂功率为35kW～55kW，优选为45kW；喷涂距离为90mm～110mm，优选为100mm。

喷涂结束后，本发明在极化电场中进行极化处理，使传感层具有压电效应。所述极化的温度为180℃～205℃，优选为195℃；极化电场强度为2.4KV/mm～2.6KV/mm，优选为2.5KV/mm；极化处理的持续时间不低于15min，优选的，持续时间为15min～20min，更优选为18min。

在本发明中，所述传感层的厚度优选为50μm～100μm，更优选为60μm～80μm。传感层太薄，监测不准确。而过厚的传感层会出现电信号不稳定，这是因为过厚的涂层内部的大量气孔和裂纹会弱化电荷在涂层中的传输效率；并且由于涂层太厚容易形成更多的孔隙和裂纹，也会影响涂层质量，导致涂层首先失效。另外，涂层太厚还会给喷涂过程带来一定的麻烦。

在形成传感层后，本发明优选还包括在所述传感层上复合耐磨层。所述耐磨层为表面层，既能作为“装甲”，抵挡来自外界的应力接触并起到保护作用，又能作为一个电极和导体将信号输出。

所述耐磨层的制作材料优选为FeCrBSi合金，即形成铁铬硼硅涂层。所述FeCrBSi合金价格便宜，与压电材料的结合度好，且耐磨性好，所以优选采用所述FeCrBSi合金作为耐磨层的制作材料，可以进一步的增大零件表面的耐磨性。所述耐磨层的厚度优选为200μm～300μm，更优选为230μm～250μm；所述耐磨层的粉料粒度优选为40μm～70μm，更优选为50μm～60μm。

本发明优选通过超音速等离子喷涂工艺形成耐磨层，所述喷涂工艺具体包括：

喷涂电压为110V～130V，优选为120V；喷涂电流为410A～430A，优选为420A；喷涂功率为40kW～55kW，优选为48kW；喷涂距离为90mm～100mm，优选为95mm。

为了进一步提高检测精度，参见图1和图2，在本发明实施例中，所述传感层的形成优选包括：

在所述强化层上形成多个第一传感单元，沿第二方向排列，且所述多个第一传感单元沿第一方向延伸；

在所述多个第一传感单元和强化层上形成第二绝缘层；

在所述第二绝缘层上形成多个第二传感单元，沿第一方向排列，且所述多个第二传感单元沿第二方向延伸；

其中，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元由所述压电材料形成。

相应的，所述耐磨层即复合在所述多个第二传感单元和第二绝缘层上。

在本实施例中，传感层的制备方法具体包括：

将具有多个第一传感单元形状的掩膜覆盖在所述第一绝缘层表面上，通过超音速等离子喷涂工艺，最终会在未被掩膜遮挡的位置形成第一传感单元，在被掩膜遮挡的位置会露出第一绝缘层。

其中，形成所述多个第一传感单元的超音速等离子喷涂工艺包括：

喷涂电压为110V～130V，优选为120V；喷涂电流为350A～380A，优选为365A；喷涂功率为35kW～55kW，优选为45kW；喷涂距离为90mm～110mm，优选为100mm。

通过超音速等离子喷涂工艺在所述第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层，所述第二绝缘层优选为氧化铝或氧化钛或氧化铝与氧化钛的复合层。

与所述第一绝缘层的制作方法相同，在本实施例中，形成所述第二绝缘层的超音速等离子喷涂工艺，包括：

喷涂电压为110V～130V，优选为120V；喷涂电流为370A～400A，优选为385A；喷涂功率为30kW～50kW，优选为40kW；喷涂距离为100mm～120mm，优选为110mm。

将具有多个第二传感单元形状的掩膜覆盖在所述第二绝缘层表面上，通过超音速等离子喷涂工艺，最终会在未被掩膜遮挡的位置形成第二传感单元，在被掩膜遮挡的位置会露出第二绝缘层。

其中，形成所述多个第二传感单元的超音速等离子喷涂工艺包括：

喷涂电压为110V～130V，优选为120V；喷涂电流为350A～380A，优选为365A；喷涂功率为35kW～55kW，优选为45kW；喷涂距离为90mm～110mm，优选为100mm。

此外，还可以通过化学气相沉积工艺形成第一传感单元和第二传感单元。其中，沉积温度为900℃～1150℃，优选为100℃，沉积时间为4h～8h，优选为6h，沉积环境压力为6KPa～15KPa，优选为10KPa。

最后，对所述第一传感单元和第二传感单元进行极化处理，使所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应。

由于所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应，则所述传感层可以对零件表面的损伤产生电信号，即得到的智能涂层具有压电传感器的功能，可以对零件表面(即耐磨层)的磨损状态实时监控、反馈，因此无需再粘贴传感器。与现有的通过粘贴来结合的传感器和基体相比，本申请所提供的智能涂层的制备方法可以避免传感器和基体之间粘合度差的问题。

并且，所述第一传感单元沿第一方向延伸，所述第二传感单元沿第二方向延伸，则在所述耐磨层受到损伤的时候，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元均会产生电信号，而且距离损伤位置最近的第一传感单元所产生的电信号最强，同样，距离损伤位置最近的第二传感单元所产生的电信号也是最强的，而所述第一传感单元与第二传感单元之间绝缘，第一传感单元所产生的电信号和第二传感单元产生的电信号之间不会相互干扰，通过对最强电信号的检测，可以精确定位损伤位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。

再者，所述多个第一传感单元与基体之间设置有绝缘层，则可以避免所述多个第一传感单元产生的电信号流入基底，即避免电信号的损失，增大对损伤的检测灵敏度。

可见，在收集零件表面涂层(耐磨层)的磨损损伤或微断裂时，所述智能涂层发出的电流可以作为特征信号来完成对涂层临界失效状态的判断，即对零件表面涂层状态的判断模式为“完整…较完整…未失效…临界失效…失效”的多选式的连续判断模式，即可完成对零件表面涂层的失效演变过程的实时、在线和动态掌握，并可以精确定位磨损位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。

另外，本发明实施例所述传感层的制备方法优选还包括：

在所述第一传感单元上表面边缘形成第一上电极，在所述第一传感单元下表面边缘形成第一下电极，所述第一上电极和第一下电极为所述第一传感单元对涂层损伤产生的电流的导出电极；

在所述第二传感单元表面上形成第二上电极，在所述第二传感单元下表面边缘形成第二下电极，所述第二上电极和第二下电极为所述第二传感单元对涂层损伤产生的电流的导出电极；

烘干，在烘干过程中，烘干温度为在120℃以上，优选的，所述烘干温度为120℃～150℃，更优选为130℃，烘干时间在15min以上，优选为20min；

对所述第一传感单元和第二传感单元进行极化处理，使所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应。

由于所述第一传感单元和第二传感单元产生的电流值较小，则所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极均为金电极优选为金电极，以提高导电性，降低电流的损耗。所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极通过涂覆工艺形成，为了使所述金电极的厚度更均匀，则优选的分三次涂覆形成所述金电极。

需要说明的是，所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极还可以根据实际需求选用银电极或铝电极，具体材料不做任何限定，本实施例中为了取得更优的导电能力，故选用金电极。并且，所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极均设置在所述涂层的非磨损部位，以避免由于零件表面涂层磨损对电极的影响。

得到用于监测基体表面损伤的智能涂层后，本发明实施例将其进行定位应用，包括：

当所述耐磨层受到磨损损伤时，所述多个第一传感单元产生多个第一检测信号，所述多个第二传感单元产生多个第二检测信号。

由图1可见，当出现以A点为中心的磨损损伤时，在A点附近的第一传感单元3和第二传感单元5所受到的涂层(耐磨层6)撕裂或拉扯所产生的应力，而且离A点越近的传感单元受到的应力越大。基于压电陶瓷的本身的特性，第一传感单元3和第二传感单元5均会产生压电电流，而且愈是靠近A点的传感单元所产生的压电电流愈大。以所述第一传感单元3和第二传感单元5均会产生压电电流作为检测信号，相应的，所述多个第一传感单元3产生多个压电电流作为多个第一检测信号，所述多个第二传感单元5产生的多个压电电流作为多个第二检测信号。对所述多个第一检测信号和多个第二检测信号进行筛选，选取最大的第一检测信号和最大的第二检测信号。

由于距离A点越近的传感单元产生的压电电流越大，即距离A点最近的第一传感单元3会产生最大第一检测信号，第二传感单元5会产生最大的第二检测信号，因此，反过来便可通过会产生最大第一检测信号的第一传感单元3和产生最大的第二检测信号的第二传感单元5来确定A点的具体位置。

具体的，可以将第一方向和第二方向放入直接坐标系中，以所述第一方向为坐标系中的X轴方向，第二方向为坐标系中的Y轴方向，则通过产生最大第一检测信号的第一传感单元3可以定位所述耐磨层在第二方向上的损伤位置，即A点的Y坐标，通过产生最大第二检测信号的第二传感单元5定位所述耐磨层在第一方向上的损伤位置，即A点的X坐标，通过所述耐磨层在第一方向上和第二方向上的损伤位置(A点的X-Y坐标)确定所述耐磨层的损伤位置。如此，本申请就能为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。

而且，由图1可知，所述智能涂层的各第一传感单元3之间是绝缘的，即某一第一传感单元3产生的第一检测信号不会对其他的第一传感单元3造成影响，同理，所述第二传感单元5产生的第二检测信号不会对其他的第二传感单元5造成影响。并且第一传感单元3与第二传感单元5之间绝缘，则所述第一检测信号与第二检测信号之间亦不会相互影响。因此，对基体表面的磨损状位置的检测更加准确。

得到用于监测基体表面损伤的智能涂层后，按照国家标准GB9796-88《热喷涂铝及铝合金涂层试验方法》，本发明进行试样的制备，再采用MTS万能试验机，利用对偶件拉伸法对涂层与基体的结合强度进行测量，每个试验水平下，均采集6个试验的结合强度的平均值，作为该水平下涂层的结合强度值。其中，喷涂试样如图3所示，图3为本发明测试涂层结合强度的喷涂试样图。粘结后的拉伸试样如图4所示，图4为本发明测试涂层结合强度的拉伸试样图。在图4中，1为对偶件(Coupled part)，2为粘结涂层(Bonding coating)，3为智能涂层(spraying layer)，4为基体样品(Spraying sample)。测试的具体方法为：首先将对偶件进行喷砂处理，然后把对偶件与本发明喷涂件进行对心粘结，粘结材料为E-7高强度胶，粘结完成后在烘箱内进行烘干，烘干温度为100℃，保温时间为4小时，待试样完全固化后对其进行拉伸试验，记录试样被拉断时的临界载荷，将这个临界载荷除以试样与涂层的粘结面积，得到的数值即是结合强度。

结果表明，本申请提供的智能涂层包括强化层，其与基体结合强度高，可以改善智能涂层传感器的耐久性，使智能涂层传感器在部件失效前仍能良好地附着在部件上，应用更好。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的用于监测基体表面损伤的智能涂层及其制备方法进行具体描述。

以下实施例中，超音速等离子喷涂采用高效GTV F6等离子喷涂设备进行，PbTiO₃粉购自保定宏声声学电子器件有限公司、牌号为P-5H，其余粉料的来源均是北京矿冶研究总院、纯度均为99.99％。

实施例1

参见图1、图2和图5，其中，图5为本发明实施例1制备智能涂层的主要流程图。

首先，对45#钢基体1进行淬火处理，得到硬度达到HRC55左右的基体。

然后，用粒度为16目的棕刚玉对所述基体表面进行喷砂处理，得到粗糙的基体表面，其中，喷砂气压为0.7MPa，喷砂角度为45°，喷砂距离为145mm。

喷砂结束后，对氧化铝粉料和氧化钛粉料自主造粒，使粒径均匀，且达到40μm～70μm；将经过自主造粒的氧化铝粉料和氧化钛粉料放入送粉器，调整送粉量为30g/min，对上述经过喷砂处理的基体表面进行超音速等离子喷涂，形成第一绝缘层2，其中，喷涂电流为378A，喷涂电压为105V，喷涂功率为42.6kW，喷涂主气为氩气、流速为3.0m³/h，并以氢气为辅助气体、流速为0.25m³/h，喷涂距离为110mm，使得第一绝缘层厚度为30μm。

得到第一绝缘层后，对PbTiO₃粉料进行自主造粒，得到平均粒径D1为5μm的第一粉料和平均粒径D2为20μm的第二粉料，两者质量比为5:1；将所述第一粉料和第二粉料放入送粉器，调整送粉量为35g/min，对复合有第一绝缘层的基体表面进行超音速等离子喷涂，形成强化层2+，其中，喷涂电流为375A，喷涂电压为130V，喷涂功率为48.75kW，喷涂主气为氩气、流速为3.0m³/h，并以氢气为辅助气体、流速为0.3m³/h，喷涂距离为110mm，使得强化层厚度为30μm。

对所述强化层进行能量弥散谱EDS分析，结果参见表1，表1为本发明实施例1制备的钛酸铅强化层的EDS结果。对所述强化层的表面及截面形貌进行显微镜观察，结果参见图6和图7，图6为本发明实施例1制备的钛酸铅强化层的表面形貌，图7为本发明实施例1制备的钛酸铅强化层的截面形貌，图7中，A为贫铅相1，B为贫铅相2。

由以上结果可知，所述强化层包含基本化学计量的钛酸铅颗粒相和包含贫铅相1及贫铅相2的连续基质。在显微视场中，上述贫铅相1呈现浅色区域，而贫铅相2呈现黑色区域。另外，显微硬度测试显示，贫铅相1的最高硬度为421HV_0.1，平均硬度为410.4HV_0.1；贫铅相2的最高硬度为540HV_0.1，平均硬度为528HV_0.1。在硬度分布方面，贫铅相1和贫铅相2之间的硬度差异随着距离基体的距离增加而增加。

得到强化层后，对PbTiO₃粉料进行自主造粒，粒度为40μm～60μm；在所述强化层表面覆盖具有第一传感单元图形的掩膜，将经过自主造粒的PbTiO₃粉料放入送粉器，调整送粉量为30g/min，对复合有强化层的基体表面进行超音速等离子喷涂，得到多个第一传感单元3，其中，喷涂电流为360A，喷涂电压为120V，喷涂功率为43.2kW，喷涂主气为氩气、流速为3.2m³/h，并以氢气为辅助气体、流速为0.3m³/h，喷涂距离为100mm，使得第一传感单元的厚度为100μm。并且，第一传感单元呈长条状，宽为3mm，相邻的两个第一传感单元之间的距离为3mm；第一传感单元沿第二方向排列，且沿第一方向延伸，第一方向与第二方向相互垂直。

得到第一传感单元后，在其和强化层表面喷涂氧化铝和氧化钛，形成第二绝缘层4，其喷涂过程与形成第一绝缘层的喷涂过程相同，厚度也相同。

得到第二绝缘层后，在其表面覆盖具有第二传感单元图形的掩膜，并将经过自主造粒的PbTiO₃粉料放入送粉器，调整送粉量为30g/min，对复合有第二绝缘层的基体表面进行超音速等离子喷涂，得到多个第二传感单元5，其中，喷涂电流为360A，喷涂电压为120V，喷涂功率为43.2kW，喷涂主气为氩气、流速为3.2m³/h，并以氢气为辅助气体、流速为0.3m³/h，喷涂距离为100mm，使得第二传感单元的厚度为100μm。并且，第二传感单元呈长条状，宽为3mm，相邻的两个第二传感单元之间的距离为3mm；第二传感单元沿第一方向排列，且沿第二方向延伸。

得到第二传感单元后，对FeCrBSi粉料自主造粒，使粒径均匀、且粒径达到40μm～70μm；将经过自主造粒的FeCrBSi粉料放入送粉器，调整送粉量为30g/min，对复合有第二绝缘层和第二传感单元的基体表面进行超音速等离子喷涂，得到耐磨层6，其中，喷涂电流为420A，喷涂电压为120V，喷涂功率为50.9kW，喷涂主气为氩气、流速为2.8m³/h，并以氢气为辅助气体、流速为0.4m³/h，喷涂距离为100mm，使得耐磨层的厚度为250μm。

在所述第一传感单元上表面边缘，分三次涂覆形成第一上电极31，在所述第一传感单元下表面边缘，分三次涂覆形成第一下电极32；在所述第二传感单元表面上，分三次涂覆形成第二上电极51，在所述第二传感单元下表面边缘，分三次涂覆形成第二下电极52；然后烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为20min。其中，所述电极均为金电极。

喷涂结束后，进行检查，去除边缘的毛刺、清洗不净等缺陷。然后用高阻摇表逐一检查，将电阻太小的剔出，以保证第一传感单元和第二传感单元能够达到标准的极化度。

过滤或更换绝缘油，以保证极化槽和极化油及极化板的清洁。把动圈式温度调节仪的指控针调至极化温度点，通过加热极化槽，使油温升至所需要的极化温度195℃；时间继电器调至需要极化的时间18min。将按极化温度预热过的形成有第一传感单元和第二传感单元的基体放在极化槽的正负电极之间，关好极化室的门。按通整流器部分低压电源开关，预热几分钟后打开高压开关，此时，时间继电器开始计时。缓慢的升高正负电极之间的电压值，从2500V开始，每100V或200V为一档，一直到预设数值(5000V)，极化时间一到，高压开关自动断开，则极化结束后，所述第一传感单元和第二传感单元具备压电效应，完成智能涂层的制备。

根据上文所述的定位应用分析可知，本发明实施例1制备的智能涂层对基体表面的磨损状位置的检测更加准确。

按照上文所述的方法，对本发明实施例1制备的智能涂层与基体的结合强度进行检测。结果参见图8，图8为本发明实施例1～6和比较例1～6提供的涂层与基体的结合强度。由图8可知，本发明实施例1提供的智能涂层(含强化层)与基体的结合强度较高。

表1为本发明实施例1制备的钛酸铅强化层的EDS结果

实施例2～6

按照实施例1的方法，仅将极化温度分别改变为180℃、185℃、190℃、200℃和205℃，分别得到有智能涂层的基体。

根据上文所述的定位应用分析可知，本发明实施例1～6制备的智能涂层对基体表面的磨损状位置的检测更加准确。

按照上文所述的方法，对本发明实施例2～6制备的智能涂层与基体的结合强度进行检测，结果参见图8。由图8可知，本发明实施例1～6提供的智能涂层(含强化层)与基体的结合强度较高，极化温度为195℃时，效果最佳。

比较例1～6

按照实施例1的方法，仅除去强化层的复合，极化温度分别为195℃、180℃、185℃、190℃、200℃和205℃，分别得到有涂层的基体。

按照上文所述的方法，对本发明比较例1～6制备的涂层与基体的结合强度进行检测，结果参见图8。由图8可知，本发明比较例1～6提供的涂层(不含强化层)与基体的结合强度较低。

由以上实施例可知，本发明主要采用压电材料形成智能涂层中的传感层，其具有压电效应，可以直接对零件表面的磨损状态实时监控、反馈，而无需通过粘贴或在外围布置的方式，这样可以避免压电传感器和设备零件之间结合度差的问题。本发明在基体与传感层之间增加复合了强化层，其包含所述压电材料的连续相及其颗粒，是一种复合结构层，能强化传感层附着于基体的能力，进一步提高与设备基体的结合度，从而赋予智能涂层较好的耐久性。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于监测基体表面损伤的智能涂层，包括：

复合在基体表面的强化层，所述强化层包含压电材料的连续相及其颗粒；

复合在所述强化层上的传感层，所述传感层主要由所述压电材料的连续相形成。

2.根据权利要求1所述的智能涂层，其特征在于，所述压电材料的连续相及其颗粒中，所述压电材料为PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃。

3.根据权利要求1所述的智能涂层，其特征在于，在基体表面与强化层之间，还包括第一绝缘层。

4.根据权利要求3所述的智能涂层，其特征在于，所述传感层包括：

多个第一传感单元，所述多个第一传感单元设置在所述强化层上，沿第二方向排列，且所述多个第一传感单元沿第一方向延伸；

第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖在所述多个第一传感单元和强化层上；

多个第二传感单元，所述多个第二传感单元设置在所述第二绝缘成上，沿第一方向排列，且所述多个第二传感单元沿第二方向延伸；

其中，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元由所述压电材料形成。

5.根据权利要求4所述的智能涂层，其特征在于，所述第一绝缘层和第二绝缘层各自独立地为氧化铝与氧化钛的复合层、氧化铝层或氧化钛层。

6.根据权利要求4或5所述的智能涂层，其特征在于，还包括耐磨层，所述耐磨层覆盖在所述多个第二传感单元和第二绝缘层上。

7.根据权利要求4所述的智能涂层，其特征在于，还包括：

第一上电极，所述第一上电极设置在所述多个第一传感单元上表面边缘；

第一下电极，所述第一下电极设置在所述多个第一传感单元下表面边缘；

第二上电极，所述第二上电极设置在所述多个第二传感单元表面上；

第二下电极，所述第二下电极设置在所述多个第二传感单元下表面边缘。

8.一种用于监测基体表面损伤的智能涂层的制备方法，包括：

在基体表面复合强化层，所述强化层包含压电材料的连续相及其颗粒；

在所述强化层上复合传感层，所述传感层主要由所述压电材料的连续相形成，经极化，得到用于监测基体表面损伤的智能涂层。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述压电材料的连续相及其颗粒中，所述压电材料为PbTiO₃或PbZr_0.52Ti_0.48O₃。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述强化层通过超音速等离子喷涂压电材料的粉料形成，所述粉料包括平均粒径为D1的第一粉料和平均粒径为D2的第二粉料，所述D1为4微米～6微米，D2为18微米～22微米，所述第一粉料与第二粉料的质量之比为(2～6)：1。