CN108754402A - 碳纤维表面热喷涂合金涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维表面热喷涂合金涂层及其制备方法，属于合金涂层技术领域。合金涂层由表及里分别包括合金面层、过渡结合层和粗化层；所述合金涂层的硬度性能为：硬度≥HRC55度；同时，所述合金面层与所述过渡结合层的结合强度≥18MPa；制备方法包括三个步骤：①基体预处理；②表面粗化；③等离子喷涂；该合金涂层用于在碳纤维表面制备合金涂层，该涂层硬度可以达到RHC 60度，与过渡结合层之间结合牢固，结合强度达到20MPa左右，很好的结合了碳纤维和镍基合金这两种材料的优势，完全达到使用要求。
Description
技术领域
本发明属于合金涂层技术领域，具体涉及一种碳纤维表面热喷涂合金涂层及其制备方法。
背景技术
碳纤维是一种的力学性能优异的新材料，抗拉强度高，是同等截面钢材的7-10倍。重量轻，密度只有普通钢材的1/4。耐久性好，可阻抗化学腐蚀和恶劣环境、气候变化的破坏。适用范围广，可大幅度提高构件的承载能力、抗震性能和耐久性能。
但碳纤维自身硬度不足，因此，在碳纤维构件表面复合合金涂层，能够增加表面硬度和耐磨性，使这两种材料的特点互为补充，优点突出，在各机械设备传动辊应用方面具有很大的优势。
但是碳纤维材料跟金属材料之间相容性差，采用化学镀和溶胶凝胶法形成金属涂层具有强度低、工艺复杂的缺点，不适合大规模推广应用。
申请号为201710066206.8的中国发明专利公开了一种碳纤维复合材料的抗高温氧化防护层制备方法，其直接采用高速电弧喷涂机在碳纤维复合材料表面喷涂高镍高铬钛合金涂层，然而，碳纤维辊表面覆有一层有机树脂，如果直接在表面喷涂涂层，合金粉末融化产生的热量会使树脂层融化，合金涂层很难与之很好的结合，造成涂层结合强度差，甚至无法形成有效涂层。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种碳纤维表面热喷涂合金涂层及其制备方法，用于在碳纤维表面制备合金涂层，该涂层硬度可以达到RHC 60度，与过渡结合层之间结合牢固，结合强度达到20MPa左右，很好的结合了碳纤维和镍基合金这两种材料的优势，完全达到使用要求。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
碳纤维表面热喷涂合金涂层，由表及里分别包括合金面层、过渡结合层和粗化层；
所述合金涂层的硬度性能为：硬度≥HRC55度；
同时，所述合金面层与所述过渡结合层的结合强度≥18MPa。
作为上述技术方案的优选，所述粗化层由白刚玉砂经喷砂形成。
作为上述技术方案的优选，所述白刚玉砂的目数为60目，所述粗化层的表面粗糙度为Ra=3~5μm。
作为上述技术方案的优选，所述过渡结合层由铝粉经喷涂而成，其厚度为0.1~0.15mm。
作为上述技术方案的优选，所述合金面层由镍基合金粉末经喷涂而成，其厚度为0.1~0.15mm。
碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，包括如下步骤：
①基体预处理：采用有机溶剂对碳纤维辊基体在超声条件下清洗以去除油渍；
②表面粗化：采用白刚玉砂对所述碳纤维辊表面进行喷砂处理，形成粗化层，注意喷砂均匀，防止过度喷砂导致碳纤维丝断裂，压缩空气压力为0.3MPa，使处理后表面粗糙度达到Ra=3~5μm；
③等离子喷涂：采用等离子喷涂设备，以铝粉作为过渡结合层材料，喷涂形成厚度为厚度为0.1~0.15mm的过渡结合层，然后在所述过渡结合层上以镍基合金粉末为材料喷涂形成厚度为0.1~0.15mm的合金面层。
过渡结合层材料主要为纯铝粉，铝的熔点低，为660℃，硬度低，延展性好。喷涂时控制喷涂功率、送粉参数及喷涂距离，使铝粉在等离子喷枪焰流中达到软化或半融化状态，焰流对粉末加速使粉末在基体上扁平铺展又不至于大量飞溅，形成紧密的层状结构。同时铝粉末对基体热输入相对比较小，基体表面有机树脂层受热不大，树脂层软化，最底层铝粉嵌入树脂层，形成良好的结合。过渡结合层对整个碳纤维基材表面形成全覆盖，涂层均匀。在过渡层表面再喷涂一层合金涂层
作为上述技术方案的优选，步骤①中，采用丙酮对碳纤维辊基体在超声条件下进行清洗，超声清洗时间为30分钟。
作为上述技术方案的优选，步骤②中，选用60目的白刚玉砂对所述碳纤维辊表面进行喷砂处理。
作为上述技术方案的优选，步骤③中，采用功率为80KW等离子喷涂设备制备涂层，其中，制备过渡结合层时，喷涂功率为20kW，制备合金表层时，喷涂功率为35kW。
作为上述技术方案的优选，步骤③中，通过风冷和喷涂速度控制碳纤维辊基体温度，以缓和过程热应力对涂层的影响。。
综上所述，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例提供一种碳纤维表面热喷涂合金涂层及其制备方法，合金涂层用于碳纤维表面，该涂层硬度可以达到RHC 60度，与过渡结合层之间结合牢固，结合强度达到20MPa左右，很好的结合了碳纤维和镍基合金这两种材料的优势；
经喷涂涂层的碳纤维传动辊采用了新型碳纤维管表面热喷涂合金涂层工艺，具有了高强度、高耐磨、轻量化的特点。相比传统的金属辊，碳纤维辊具有很高的动态平衡，实现了在超高速状态下稳定旋转，从而使传动速度大幅提高，同时又降低了能耗。表面合金涂层提高了表面耐磨性能，延长了使用寿命。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：碳纤维表面热喷涂合金涂层，由表及里分别包括合金面层、过渡结合层和粗化层；
合金面层由镍基合金粉末经喷涂而成，其厚度为0.1mm，此处镍基合金粉末为NiCrBSi合金，含量%为（Cr：15-17，B：2.5-3.5，Si:3.5-5.0，C：0.4-0.8，Fe：14-17，Ni：余量）是一种耐高温耐腐蚀高硬度的合金涂层，耐磨性能及机械性能非常优秀，热喷涂操作性合适可靠；
过渡结合层由铝粉经喷涂而成，其厚度为0.15mm；
粗化层由60目的白刚玉砂经喷砂形成，粗化层的表面粗糙度为Ra=3μm；
该合金涂层的硬度为HRC60度，合金面层与过渡结合层的结合强度为20MPa。
实施例2：碳纤维表面热喷涂合金涂层，与实施例1的不同之处在于：合金面层的厚度为0.15mm，过渡结合层的厚度为0.1mm，粗化层的表面粗糙度为Ra=5μm，该合金涂层的硬度为HRC55度，合金面层与过渡结合层的结合强度为19MPa。
实施例3：碳纤维表面热喷涂合金涂层，与实施例1的不同之处在于：合金面层的厚度为0.12mm，过渡结合层的厚度为0.13mm，粗化层的表面粗糙度为Ra=3.5μm，该合金涂层的硬度为HRC60度，合金面层与过渡结合层的结合强度为20MPa。
实施例4：实施例1所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，包括如下步骤：
①基体预处理：采用丙酮对碳纤维辊基体在超声条件下清洗以去除油渍，超声清洗时间为30分钟；
②表面粗化：采用60目的白刚玉砂对所述碳纤维辊表面进行喷砂处理，形成粗化层，使处理后表面粗糙度达到Ra=3μm；
③等离子喷涂：采用功率为80KW的等离子喷涂设备，以铝粉作为过渡结合层材料，喷涂形成厚度为厚度为0.15mm的过渡结合层，然后在所述过渡结合层上以镍基合金粉末为材料喷涂形成厚度为0.1mm的合金面层，制备过渡结合层时，喷涂功率为20kW，制备合金表层时，喷涂功率为35kW，通过风冷和喷涂速度控制碳纤维辊基体温度，以缓和过程热应力对涂层的影响。
实施例5：实施例2所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，包括如下步骤：
①基体预处理：采用丙酮对碳纤维辊基体在超声条件下清洗以去除油渍，超声清洗时间为30分钟；
②表面粗化：采用60目的白刚玉砂对所述碳纤维辊表面进行喷砂处理，形成粗化层，使处理后表面粗糙度达到Ra=5μm；
③等离子喷涂：采用功率为80KW的等离子喷涂设备，以铝粉作为过渡结合层材料，喷涂形成厚度为厚度为0.1mm的过渡结合层，然后在所述过渡结合层上以镍基合金粉末为材料喷涂形成厚度为0.15mm的合金面层，制备过渡结合层时，喷涂功率为20kW，制备合金表层时，喷涂功率为35kW，通过风冷和喷涂速度控制碳纤维辊基体温度，以缓和过程热应力对涂层的影响。
实施例6：实施例3所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，包括如下步骤：
①基体预处理：采用丙酮对碳纤维辊基体在超声条件下清洗以去除油渍，超声清洗时间为30分钟；
②表面粗化：采用60目的白刚玉砂对所述碳纤维辊表面进行喷砂处理，形成粗化层，使处理后表面粗糙度达到Ra=3.5μm；
③等离子喷涂：采用功率为80KW的等离子喷涂设备，以铝粉作为过渡结合层材料，喷涂形成厚度为厚度为0.13mm的过渡结合层，然后在所述过渡结合层上以镍基合金粉末为材料喷涂形成厚度为0.12mm的合金面层，制备过渡结合层时，喷涂功率为20kW，制备合金表层时，喷涂功率为35kW，通过风冷和喷涂速度控制碳纤维辊基体温度，以缓和过程热应力对涂层的影响。
Claims (10)
1.碳纤维表面热喷涂合金涂层，其特征在于：
由表及里分别包括合金面层、过渡结合层和粗化层；
所述合金涂层的硬度性能为：硬度≥HRC55度；
同时，所述合金面层与所述过渡结合层的结合强度≥18MPa。
2.根据权利要求1所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层，其特征在于：所述粗化层由白刚玉砂经喷砂形成。
3.根据权利要求2所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层，其特征在于：所述白刚玉砂的目数为60目，所述粗化层的表面粗糙度为Ra=3~5μm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层，其特征在于：所述过渡结合层由铝粉经喷涂而成，其厚度为0.1~0.15mm。
5.根据权利要求1所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层，其特征在于：所述合金面层由镍基合金粉末经喷涂而成，其厚度为0.1~0.15mm。
6.碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
①基体预处理：采用有机溶剂对碳纤维辊基体在超声条件下清洗以去除油渍；
②表面粗化：采用白刚玉砂对所述碳纤维辊表面进行喷砂处理，形成粗化层，使处理后表面粗糙度达到Ra=3~5μm；
③等离子喷涂：采用等离子喷涂设备，以铝粉作为过渡结合层材料，喷涂形成厚度为厚度为0.1~0.15mm的过渡结合层，然后在所述过渡结合层上以镍基合金粉末为材料喷涂形成厚度为0.1~0.15mm的合金面层。
7.根据权利要求6所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤①中，采用丙酮对碳纤维辊基体在超声条件下进行清洗，超声清洗时间为30分钟。
8.根据权利要求6所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤②中，选用60目的白刚玉砂对所述碳纤维辊表面进行喷砂处理。
9.根据权利要求6所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤③中，采用功率为80KW的等离子喷涂设备制备涂层，其中，制备过渡结合层时，喷涂功率为20kW，制备合金表层时，喷涂功率为35kW。
10.根据权利要求6所述的碳纤维表面热喷涂合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤③中，通过风冷和喷涂速度控制碳纤维辊基体温度，以缓和过程热应力对涂层的影响。
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