CN107858624B

CN107858624B - 一种含碳纤维的耐蚀减磨涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN107858624B
Application number: CN201710971296.5A
Authority: CN
Inventors: 黄晶; 房立家; 龚永锋; 所新坤; 周平; 李华
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: CN107858624A

Abstract

本发明公开了一种含碳纤维的耐蚀减磨涂层，在金属基体上用热喷涂方法喷涂含碳纤维耐蚀减磨的粉芯丝材，制备得到含碳纤维的耐蚀减磨涂层；所述的粉芯丝材由在碳纤维、耐蚀金属的复合粉末混合后得到的粉芯材料的表面包覆耐蚀金属材料而成；其中碳纤维粉末与耐蚀金属粉末的质量比为2:1～4。本发明还提供了制备所述含碳纤维的耐蚀减磨涂层的方法：(1)将基体材料进行预处理；(2)采用热喷涂技术，将上述粉芯丝材喷涂在预处理的基体材料表面，得到含碳纤维耐蚀减磨涂层，该制备方法具有操作简单、工艺流程少、成本低等优点，适合工业化生产。

Description

一种含碳纤维的耐蚀减磨涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中的热喷涂技术领域，具体涉及一种含碳纤维的耐蚀减磨涂层及其制备方法。

背景技术

海洋环境是自然条件下金属腐蚀最严酷的环境之一，海水是一种强电介质溶液，再加上冻融、海雾、台风、暴雨、工业排放物等多重腐蚀环境的综合作用，造成了海洋腐蚀现象。据测算，在我国被海洋浸泡的钢铁中，每1秒钟就有1.5吨钢铁被腐蚀，加之，海水中夹杂着泥沙等颗粒，在潮汐、行船等过程中，加速了钢材的磨损消耗。为更好的防护海工装备，亟需开发施工操作方便，防护性能好的耐蚀兼具耐磨或减磨涂层及相关设备。

目前，电弧喷涂耐蚀金属材料，如Al，Zn或Al/Zn保护涂层在海洋钢结构、船舶制造业中应用最为广泛，但由于这类材料相对较软，在实际应用中常受水流及水中夹带的泥沙等磨粒对涂层产生磨损，极大地破坏耐蚀涂层，最终导致涂层失效。

碳纤维是一类新型碳材料，由于其高比强度和高比模量、质轻等优点，且同时具有一般碳材料的特性，如低膨胀系数、高温性能、耐摩擦、导电、导热等，被认为是最有潜力的增强材料。碳纤维具有“乱层石墨”结构，因此与石墨一样具有良好的自润滑和减磨性能。因此，开发含碳纤维的耐蚀减磨涂层应用于海洋工程装备表面防护，具有良好的可行性和应用价值。

耐蚀减磨涂层，传统的制备方法主要有自润滑液处理、等离子喷涂、火焰喷涂、粉末冶金、电火花沉积工艺、激光熔覆技术等，采用的自润滑材料一般为石墨、MoS2和CaF2等。传统的制备或工艺复杂、设备昂贵，或生产成本较高、不宜工业化，或残余气体有毒有害，或薄膜面积小、不宜大规模成膜，或成膜基体受限等。因此，要实现耐蚀减磨涂层的大规模生产应用，亟需开发一种新型的低成本、高质量、大面积、适合工业化生产的涂层制备技术。

热喷涂技术是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，是适合工业化、大面积生产的表面技术。其中，新发展的粉芯丝材电弧喷涂技术是在传统电弧喷涂的基础上发展起来的，它使原有的实芯金属丝材改为粉芯金属丝材，与实心丝材和粉末相比，同时具备丝材和粉末的优点，既能方便地根据涂层成分要求来调节丝材成分，拓宽了涂层材料的成分和种类范围，满足了对涂层多功能化、多元化和高性能化的要求，同时加工方便、成本低、使用设备简单、操作方便，具有巨大的发展潜力。近年来，国内外已经开发了多种粉芯丝材，广泛应用于电力、石油、化工、汽车制造等工业领域。

发明内容

本发明的目的在于制造含碳纤维的耐蚀减磨粉芯丝材，并采用电弧喷涂技术在金属基体表面制备含碳纤维的耐蚀减磨涂层，以提高金属材料的耐蚀和耐磨性能。

一种含碳纤维的耐蚀减磨粉芯丝材，包括粉芯材料和包覆所述粉芯材料的耐蚀金属材料；所述的粉芯材料由碳纤维、耐蚀金属粉末混合得到，其中碳纤维粉末和耐蚀金属粉末质量比为2:1～4；

所述的耐蚀金属粉末为铝粉、316L不锈钢粉、304不锈钢粉、镍粉或镍铝粉中的至少一种；

所述的包覆用耐蚀金属材料选自铝带、不锈钢带、镍带或镍铝合金带。

本发明粉芯丝材通过如下方法来制备：

将碳纤维粉末和耐蚀金属粉末加入到球磨罐中，进行球磨处理，使其充分混匀或复合得到粉芯材料，利用包丝机将粉芯材料包裹于耐蚀金属材料中，并经过粉芯丝材成型装置拉拔减径等工序得到粉芯丝材。

所述的球料比(球质量：粉末质量)为0～50wt.％。

所述的包覆用耐蚀金属带材宽度为8～12mm，厚度为0.2～0.3mm。

所述的粉芯丝材直径为2～3mm、粉芯包覆率为10～30wt.％。

本发明还提供了所述的含碳纤维的耐蚀减磨涂层的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将基体材料进行预处理；

(2)采用热喷涂技术，将上述制备的粉芯丝材喷涂在预处理的基体材料表面，得到含碳纤维耐蚀减磨涂层。

所述的金属基体包括45号钢、304不锈钢、钛合金或铝。

所述的预处理包括清洗、除油除锈和表面粗化，粗化方法包括喷砂、车螺纹、滚花或电拉毛。

所述的热喷涂包括电弧喷涂、超音速电弧喷涂或丝材火焰喷涂。

作为优选，所述的热喷涂技术为超音速电弧喷涂，喷涂工艺参数为：电流为80～220A，电压为28～40V，喷涂距离为100～300mm，电弧喷枪移动速度为100～300mm/s，空气压力为0.35～1.0MPa，涂层喷涂遍数为5～20遍。

本发明中选择的耐蚀金属粉末在喷涂过程中具有助熔作用，利于涂层中各个组分相互粘结，金属粉末形态影响小助熔效果，作为优选，所述的耐蚀金属粉末为球形粉末，粉末粒径为30～200μm。

为实现碳纤维材料在涂层中的均匀分布，同时为了更好的使碳纤维与其他组分均匀复合，作为优选，所述的碳纤维粉末粒子的直径为4～10μm，长度为20～200μm。

本发明制备的含碳纤维的耐蚀减磨涂层内部碳纤维均匀分布，摩擦系数较小，减磨效果优异，具有减磨自润滑性能，且耐腐蚀性能优异，可耐中性盐雾试验1500h。

与现有的技术相比，本发明具有如下优势：

(1)以含碳纤维粉芯丝材为原料，通过超音速电弧喷涂一步成型制备耐蚀减磨涂层，有效解决了碳纤维在喷涂时易飞散，有效添加效果差的问题，提高了涂层耐磨/减磨效果。

(2)超音速电弧喷涂含碳纤维的粉芯丝材制备涂层的方法，操作简单、生产效率高、能源利用率高、安全性好、成本低。

本发明提供的一种含碳纤维的耐蚀减磨涂层及其制备方法具有成本低、性能优越和适应于产业化等优点，在耐磨、减磨和耐腐蚀等领域具有良好的应用价值和市场前景。

附图说明

图1是本发明含碳纤维的耐蚀减磨涂层的制备流程图。

图2是本发明实施例1中制备的铝基含碳纤维耐蚀减磨涂层表面的场发射扫描电子显微镜图，其中图(a)为含碳纤维耐蚀减磨涂层表面微观形貌，图(b)为对照组纯铝涂层的表面微观形貌。

图3是本发明实施例1中制备的铝基含碳纤维耐蚀减磨涂层断面的场发射扫描电子显微镜图，其中图(a)为含碳纤维耐蚀减磨涂层断面的微观形貌，图(b)为对照组纯铝涂层的断面微观形貌。

图4是本发明应用例2中的铝基含碳纤维耐蚀减磨涂层与纯铝涂层的摩擦学性能对比曲线图，其中图(a)为摩擦系数对比曲线图，图(b)为磨损速率对比图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

(1)粉芯丝材制备：

将碳纤维颗粒长度为40～120μm，粒子直径为6μm的碳纤维粉和粒径为40～70μm铝粉，其中碳纤维粉与铝粉的质量比为3:2，加入到球磨罐中，在不加磨球条件下充分混匀，球磨机运转10min，使碳纤维和铝粉均匀混合制得粉芯材料；耐蚀金属带材选择铝带，宽度10mm，厚度0.3mm，然后利用包丝机将粉芯材料包裹于铝带中，经过拉拔减径制得直径为2mm、填充率为25％的粉芯丝材。

(2)涂层制备：

采用超音速电弧喷涂工艺，以步骤(1)制得的粉芯丝材为原料在厚度为2mm的碳钢片基体材料上制备涂层，具体喷涂参数为：喷涂电流为80A，电压为30V，喷涂距离为150mm，电弧喷枪移动速度为50mm/s，空气压力为0.8MPa，涂层喷涂遍数为10遍。

(3)涂层形貌表征：

表面微观形貌观察：将制备的涂层样品置于去离子水溶液中超声处理30min，然后80℃烘干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察其表面微观形貌。

断面微观形貌观察：将制备的样品依次用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸打磨、抛光，然后置于去离子水溶液中超声处理5min，吹干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其断面微观形貌。

场发射扫描电子显微镜图谱可见：碳纤维均匀分布在铝涂层表面(图2a)，进一步观察断面形貌，碳纤维均匀镶嵌于涂层内部，涂层厚度为600μm(图3a)。

实施例2：

(1)粉芯丝材制备：

将碳纤维颗粒长度为40～120μm，粒子直径为6μm的碳纤维粉和粒径为40～70μm的铝粉，其中碳纤维与铝粉的质量比为2:1，加入到球磨罐中，在不加磨球条件下充分混匀，球磨机运转5min，使碳纤维粉和铝粉均匀混合制得粉芯材料；耐蚀金属带材选择铝带，宽度10mm，厚度0.3mm，然后利用包丝机将混合粉末包裹于铝带中，经过拉拔减径制得直径为2mm、填充率为20％的粉芯丝材。

(2)涂层制备：

采用超音速电弧喷涂工艺，以步骤(1)制得的粉芯丝材为原料在厚度为2mm的不锈钢片基体材料上制备涂层，具体喷涂参数为：喷涂电流为80A，电压为30V，喷涂距离为100mm，电弧喷枪移动速度为300mm/s，空气压力为0.5MPa，涂层喷涂遍数为20遍。

(3)涂层形貌表征：

场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察涂层微观形貌可见：碳纤维均匀分布在铝涂层表面及涂层内部，涂层厚度为500μm。

实施例3：

(1)粉芯丝材制备：

将碳纤维颗粒长度为40～120μm，粒子直径为6μm的碳纤维粉和粒径为100～150μm的镍粉，其中碳纤维粉与镍粉的质量比为3:2，加入到球磨罐中，球料比为10％，球磨机运转10min，使碳纤维和镍粉均匀混合制得粉芯材料；耐蚀金属带材选择镍带，宽度12mm，厚度0.3mm，然后利用包丝机将混合粉末包裹于镍带中，经过拉拔减径制得直径为2mm、填充率为25％的粉芯丝材。

(2)涂层制备：

采用超音速电弧喷涂工艺，以步骤(1)制得的粉芯丝材为原料在厚度为厚度3mm的钛合金片基体材料上制备涂层，具体喷涂参数为：喷涂电流为150A，电压为38V，喷涂距离为300mm，电弧喷枪移动速度为10mm/s，空气压力为0.8MPa，涂层喷涂遍数为5遍。

(3)涂层形貌表征：

场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察涂层微观形貌可见：碳纤维均匀分布在镍涂层表面及涂层内部，涂层厚度为300μm。

实施例4：

(1)粉芯丝材制备：

将碳纤维颗粒长度为40～120μm，粒子直径为6μm的碳纤维粉和粒径为40～70μm的铝粉，其中碳纤维粉与铝粉的质量比为1:1，加入到球磨罐中，在不加磨球条件下充分混匀，球磨机运转20min，使碳纤维和铝粉均匀混合制得粉芯材料；耐蚀金属带材选择铝带，宽度10mm，厚度0.2mm，然后利用包丝机将混合粉末包裹于铝带中，经过拉拔减径制得直径为2mm、填充率为20％的粉芯丝材。

(2)涂层制备：

采用超音速电弧喷涂工艺，以步骤(1)制得的粉芯丝材为原料在厚度为2mm的铝片基体材料上制备涂层，具体喷涂参数为：喷涂电流为100A，电压为30V，喷涂距离为200mm，电弧喷枪移动速度为20mm/s，空气压力为0.8MPa，涂层喷涂遍数为5遍。

(3)涂层形貌表征：

场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察涂层微观形貌可见：碳纤维均匀分布在铝涂层表面及内部，涂层厚度为300μm。

应用例1

为测试本发明中制备的含碳纤维的耐蚀减磨涂层的耐蚀性能，对其进行中性盐雾试验测试，根据标准ISO 9227：1990《人造气氛腐蚀试验-盐雾试验》进行：

根据标准要求，试验采用去离子水配制的化学纯NaCl溶液，浓度为50±5g/L，用盐酸或氢氧化钠调整溶液pH值，确保其范围在6.5～7.2之间，在25℃时，配置的NaCl溶液密度在1.0255～1.0400g/cm³范围内，盐雾试验样品的尺寸为30mm×20mm×3mm，盐雾试验程序如下：(a)将喷涂上本发明的含碳纤维的耐蚀减磨涂层样品和未喷涂涂层的样品(低碳钢)先用洗涤剂清洗，再用清水泡洗，最后放入无水乙醇中用超声波清洗仪清洗，四周采用热胶封边；(b)将实验样品取出来风干1小时，然后用流动清水冲洗，最后用吹风机将其吹干；(c)将试样放置在角度为45°的标准塑料支架上；(d)盐雾试验周期依据所检测样品确定，中间检查为12h一次，样品取出频率与试验周期相同；(e)盐雾箱内温度为35±2℃，喷雾空气压力为1kgf/cm²，通过调节盐雾沉降的速度，经24h喷雾后每80cm²面积上为1～2ml/h；(f)利用数码相机对盐雾试验样品进行腐蚀形貌观察。

盐雾试验结果表明，本发明制备的含碳纤维的耐蚀减磨涂层的样品可耐中性盐雾试验1500h，且未发生基体腐蚀现象。

应用例2

为测试本发明中制备的含碳纤维的耐蚀减磨涂层的自润滑减磨功能，对其进行耐磨性能测试：

利用摩擦磨损试验机UMT对喷涂有本发明的涂层样品进行摩擦磨损试验：试验具体参数如下：(a)选用直径6mm的304不锈钢磨球；(b)摩擦磨损总行程为50m；(c)摩擦磨损载荷为5N；(d)磨痕半径为3.5mm；(e)磨球滑动速度为120mm/s。

利用表面轮廓仪的金刚石触针沿被测表面缓慢滑行，金刚石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号，经放大、滤波、计算后由显示仪表指示被测截面轮廓曲线。根据所测数据，利用Origin软件绘制被测表面轮廓曲线，并通过该软件计算磨损面积，最后根据以下磨损速率公式计算磨损速率。

式中：K——磨损速率(mm3N-1m-1)；V——磨损体积(mm3)；

S——磨痕截面积(mm2)；H——磨痕周长(mm)；

L——载荷(N)；D——磨损总行程(m)。

试样采用本发明实施例1-4制备的涂层样品，每组试样，3个平行样，最后的磨损速率值取其平均值，同时设有对照组纯铝或纯镍涂层样品。

对照组纯铝或纯镍涂层的制备采用基体材料为低碳钢，喷涂材料为直径2mm的纯铝或纯镍丝材，涂层与基体结合力良好，涂层厚度为500μm；采用超音速电弧喷涂工艺制备，具体喷涂参数为：电流100A，电压38V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为150mm，电弧枪移动速度15mm/s，喷涂遍数5遍。

试验结果表明相比于对照组纯铝或纯镍涂层，添加碳纤维，可有效降低涂层摩擦系数及涂层磨损率：实施例1中含碳纤维的铝基涂层摩擦系数为0.2，对照组纯铝涂层摩擦系数为0.38，摩擦系数下降了47.4％(图4a)，涂层磨损速率则下降了近50％(图4b)；实施例2中含碳纤维的铝基涂层摩擦系数为0.25，对照组纯铝涂层摩擦系数为0.38，摩擦系数下降了34.2％，涂层磨损率则下降了约45％；实施例3中含碳纤维的镍基涂层的摩擦系数0.27，对照组纯镍涂层摩擦系数为0.45，摩擦系数下降了40％，磨损率下降了45％；实施例4中含碳纤维的铝基涂层摩擦系数为0.24，对照组纯铝涂层摩擦系数为0.38，摩擦系数下降了36.8％，涂层磨损率则下降了约45％。

Claims

1.一种含碳纤维的耐蚀减磨涂层的制备方法，具体步骤包括：

(1)将碳纤维粉末和耐蚀金属粉末加入到球磨罐中，进行球磨处理，使其充分混匀或复合得到粉芯材料，利用包丝机将粉芯材料包裹于耐蚀金属材料中，并经过拉拔减径得到粉芯丝材；

(2)以步骤(1)制得的粉芯丝材为原材料，利用热喷涂技术在已预处理的金属基体表面制备含碳纤维的耐蚀减磨涂层；

所述的碳纤维粉末的直径为6μm，长度为40～120μm；所述的耐蚀金属粉末为粒径为40～70μm铝粉或粒径为100～150μm的镍粉；所述碳纤维粉末与耐蚀金属粉末的质量比为2:1～2；

所述的球磨处理的球料比为0～10wt.％，球磨时间为5～20min。

2.根据权利要求1所述的含碳纤维的耐蚀减磨涂层的制备方法，其特征在于，所述的粉芯丝材的直径为2～3mm，粉芯包覆率为10～30wt.％。

3.根据权利要求1所述的含碳纤维的耐蚀减磨涂层的制备方法，其特征在于，所述的金属基体包括45号钢、304不锈钢、钛合金或铝。

4.根据权利要求1所述的含碳纤维的耐蚀减磨涂层的制备方法，其特征在于，所述的基体预处理包括清洗、除油除锈和表面粗化；所述表面粗化方法为喷砂、车螺纹、滚花或电拉毛。

5.根据权利要求1所述的含碳纤维的耐蚀减磨涂层的制备方法，其特征在于，所述的热喷涂为超音速电弧喷涂，具体工艺参数为：喷涂电流为80～220A，电压为28～40V，喷涂距离为100～300mm，电弧喷枪移动速度为10～300mm/s，空气压力为0.35～1.0MPa，涂层喷涂遍数为5～20遍。