CN106350758A - 使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法 - Google Patents

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张正
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Abstract

本发明公开了使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，包括如下步骤：a)喷砂清除基体表面残余物质；b)热喷工作层利用铁基石墨烯热喷涂复合焊丝，对基体表面进行热喷涂；其中，所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由管状包皮材料和填料粉末组成；管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末的混合物，各成分重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：难熔金属：纳米级Al2O3粉末＝40‑85：1‑10：7.6‑10：2‑20：1‑4：1‑5：5‑20，Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为40‑80：0.1‑1.5。

Description

使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法
技术领域
本发明属于热喷涂加工技术领域，具体涉及使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法。
背景技术
石墨烯是一种具有独特物理化学特性的新材料。该材料是目前世界上最薄最坚硬的材料之一。同时拥有优异的电学性能(禁带宽度约等于0，载流子迁移率达到2×105cm2·V－1·s－1)、卓越的力学性能(杨氏模量为1100GPa，断裂强度为125GPa)以及良好的热学性能(热导率约为5000W·m－1·K－1，热膨胀系数极低)。自发现以来，石墨烯已经被广泛用来制备各种各样的新材料，特别是功能复合材料。
石墨烯增强结构复合材料的研究起步晚，目前主要集中在制备石墨烯增强Al基，Ni基，Cu基复合材料。在块状石墨烯增强金属基复合材料里，石墨烯分布在晶界上，细化晶粒，提高材料的屈服强度和硬度的作用。这些材料的制备过程繁琐复杂，制造成本居高不下，难以实现规模化量产，它们也都局限于特殊要求的应用领域。
由于石墨烯所具有的特性，适合于在各种需要耐磨层实现防磨目的应用领域。特别是有滑动摩擦磨损或滚动摩擦磨损的接触面的改性应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，该方法能够在基体表面涂覆出少层石墨烯增强焊层，从而大大提高了基体的表面硬度和耐磨性能。
本发明采用如下方案解决上述技术问题：使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)喷砂通过打磨方式清除基体表面的残余物质，使基体表面粗糙，改善基体与喷涂层间的结合强度；
b)热喷工作层采用热喷涂喷枪及铁基石墨烯热喷涂复合焊丝，对所述基体表面进行热喷涂，使所述基体表面生成少层铁基石墨烯增强复合涂层，该涂层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；
其中，所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：难熔金属：纳米级Al2O3粉末＝40-85：1-10：7.6-10：2-20：1-4：1-5：5-20，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为40-80：0.1-1.5。
优化的，所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
优化的，所述难熔金属为V、Nb、Ta、Mo、W中的至少一种。
优化的，采用超音速电弧喷涂装置进行操作施工，其工作电压为18-40V，工作电流为180-500A，喷涂工作距离为200-800mm，压缩空气压力为0.4-1.0MPa。
优化的，所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由如下步骤制备而成：
a)选取粒径为100-500nm的石墨粉与粒径为53-96um的铁粉，按照重量比1：8-20的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，100‐150℃保温0.5‐2.0小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为10–120rpm，搅拌时间为2-12小时；
d)搅拌完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的铁基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的铁基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的铁基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成15°-45°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转；所述容器罐的直径与高度比为1:1-3。
本发明的优点在于：本发明采用一种铁基石墨烯复合焊丝，通过热喷涂方法，在基体表面生成少层石墨烯增强铁基复合涂层，从而提高了基体的表面硬度和耐磨性能；该铁基石墨烯复合焊丝含有可提高基材-热喷涂层界面结合强度和封孔的成分，因此，相对于传统的热喷涂工艺，本发明的操作工序更加简化，大大提高了工作效率和喷涂质量；本发明的焊丝材料制备工艺简便，成本低廉，适合大规模生产制造，有利于石墨烯材料的广泛应用。
附图说明
图1为本发明实施例中铁基石墨烯复合焊料的工艺流程图；
图2为本发明实施例中机械混合容器机械混合过程示意图。
具体实施方式
实施例1
使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)喷砂通过打磨方式清除基体表面的残余物质，使基体表面粗糙，改善基体与喷涂层间的结合强度；
b)热喷工作层采用热喷涂喷枪及铁基石墨烯热喷涂复合焊丝，对所述基体表面进行热喷涂，使所述基体表面生成少层铁基石墨烯增强复合涂层，该涂层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；
其中，所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Ta、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：Ta：纳米级Al2O3粉末＝60：7：8：8：2：2：13，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为59.5：0.5。
所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
采用超音速电弧喷涂装置进行操作施工，其工作电压为18-40V，工作电流为180-500A，喷涂工作距离为200-800mm，压缩空气压力为0.4-1.0MPa。
所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由如下步骤制备而成：
a)选取粒径为100-500nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：16的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，130℃保温1小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为90rpm，混合时间为10小时；
d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的铁基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的铁基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Ta、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的铁基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成35°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1:1.5。
本发明采用一种铁基石墨烯复合焊丝，通过热喷涂方法，在基体表面生成少层石墨烯增强铁基复合涂层，从而提高了基体的表面硬度和耐磨性能；该铁基石墨烯复合焊丝含有可提高基材-热喷涂层界面结合强度和封孔的成分，因此，相对于传统的热喷涂工艺，本发明的操作过程省去了热喷打底层和应用封孔剂两道工序，工序更加更加简化，大大提高了工作效率和喷涂质量；本发明的焊丝材料制备工艺简便，成本低廉，适合大规模生产制造，有利于石墨烯材料的广泛应用。
实施例2
使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)喷砂通过打磨方式清除基体表面的残余物质，使基体表面粗糙，改善基体与喷涂层间的结合强度；
b)热喷工作层采用热喷涂喷枪及铁基石墨烯热喷涂复合焊丝，对所述基体表面进行热喷涂，使所述基体表面生成少层铁基石墨烯增强复合涂层，该涂层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；
其中，所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、V、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：V：纳米级Al2O3粉末＝70：5：6：7.6：1：2：8.4，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为68.7：1.3。
所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
采用超音速电弧喷涂装置进行操作施工，其工作电压为18-40V，工作电流为180-500A，喷涂工作距离为200-800mm，压缩空气压力为0.4-1.0MPa。
所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由如下步骤制备而成：
a)选取粒径为100-500nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：18的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，110℃保温1.2小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为100rpm，混合时间为6小时；
d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的铁基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的铁基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、V、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的铁基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成40°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1:2。
实施例3
使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)喷砂通过打磨方式清除基体表面的残余物质，使基体表面粗糙，改善基体与喷涂层间的结合强度；
b)热喷工作层采用热喷涂喷枪及铁基石墨烯热喷涂复合焊丝，对所述基体表面进行热喷涂，使所述基体表面生成少层铁基石墨烯增强复合涂层，该涂层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；
其中，所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Nb、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：Nb：纳米级Al2O3粉末＝71：5：10：5：2.1：1.9：5，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为70：1。
所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
采用超音速电弧喷涂装置进行操作施工，其工作电压为18-40V，工作电流为180-500A，喷涂工作距离为200-800mm，压缩空气压力为0.4-1.0MPa。
所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由如下步骤制备而成：
a)选取粒径为100-500nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：18的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，120℃保温0.5小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为120rpm，混合时间为3小时；
d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的铁基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的铁基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Nb、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的铁基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成20°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1:2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)喷砂 通过打磨方式清除基体表面的残余物质，使基体表面粗糙，改善基体与喷涂层间的结合强度；
b)热喷工作层 采用热喷涂喷枪及铁基石墨烯热喷涂复合焊丝，对所述基体表面进行热喷涂，使所述基体表面生成少层铁基石墨烯增强复合涂层，该涂层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；
其中，所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：难熔金属：纳米级Al2O3粉末＝40-85：1-10：7.6-10：2-20：1-4：1-5：5-20，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为40-80：0.1-1.5。
2.如权利要求1所述的使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
3.如权利要求1所述的使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，所述难熔金属为V、Nb、难熔金属、Mo、W中的至少一种。
4.如权利要求1所述的使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，采用超音速电弧喷涂装置进行操作施工，其工作电压为18-40V，工作电流为180-500A，喷涂工作距离为200-800mm，压缩空气压力为0.4-1.0MPa。
5.如权利要求1-4中任一项所述的使用热喷涂方法制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，其特征在于，所述铁基石墨烯热喷涂复合焊丝由如下步骤制备而成：
a)选取粒径为100-500nm的石墨粉与粒径为53-96um的铁粉，按照重量比1：8-20的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，100‐150℃保温0.5‐2.0小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为10–120rpm，搅拌时间为2-12小时；
d)搅拌完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的铁基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的铁基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的铁基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成15°-45°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转；所述容器罐的直径与高度比为1:1-3。
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