CN109504965B - 一种铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层及其制备方法，所述涂层包括：SAM2X5非晶合金耐蚀底层(2)及铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(1)；所述铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(1)由合金粉末及陶瓷粉末组成；所述合金粉末为按照质量分数的：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％；所述陶瓷粉末的质量占所述铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(1)总质量的10％～70％。本发明的涂层摩擦系数高、涂层结合强度高、抗腐蚀性能强。

Description

一种铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种激光熔覆铁基耐高温防滑涂层及其制备方法。
背景技术
防滑涂料是一种具有防滑作用的功能性材料，它能够改进物体表面的摩擦性，形成一种高摩擦系数的防滑表面，以减少物体表面的人员、车辆和其他物体的滑动性，降低人员滑倒摔伤事故的发生，在舰船甲板、海洋石油钻采平台、海岸设施等得到了广泛应用。
众所周知，海洋环境是一种非常苛刻的腐蚀环境，在舰船甲板、海洋平台上应用的防滑涂料，除了需要具有提高摩擦力的基本性能外，还需要具有良好的耐腐蚀性能、抗紫外线老化性能和耐海洋气候性能，而在飞机甲板区域的防滑涂料还需要具有良好的抗冲击性、耐高温性、耐洗涤剂及柴油等性能。
长期以来，国内外对甲板防滑涂层的研制主要集中在树脂基防滑涂料，这种防滑涂料制备简单，能够满足大多数舰船甲板的防滑要求。但该涂料还存在以下不足：(1)易老化降解，这是所有有机材料都无法避免的，而海洋严苛的环境条件会大大加速这一进程；(2)由于耐磨性不足导致涂层摩擦系数的不稳定，有机防滑涂层的摩擦系数初期可达1.4，在2年后则降至0.8；(3)抗热冲击性能较差；(4)施工和高温时释放出有毒气体。
与树脂基防滑涂料相比，金属基甲板防滑涂料的摩擦系数更稳定，且不含有害的有机溶剂及致癌结晶硅石，使用寿命更长，尤其是在抗高温老化性能方面，具有明显的优势。因此，国内外研究机构纷纷着手进行金属基甲板防滑涂层的研究。铁基非晶合金有很强的非晶形成能力，在保持卓越的防腐、耐磨、抗高温等性能的同时又兼具成本优势，且制备得到的铁基非晶涂层不仅具备块体非晶的特点，还具有厚度可控、组织均匀、结合力好等优点，在甲板防滑涂料这一领域具有极大地应用前景。激光熔覆作为一种先进高效的表面改性技术，与热喷涂技术相比，具有冷却速度快、涂层孔隙率低、工件变形小以及易于实现自动化等优点，得到的铁基非晶涂层可以显著改善金属材料表面的硬度、强度、耐磨损、耐腐蚀等性能，避免了热喷涂过程中的氧化和晶化问题，具有广泛的应用前景。
但现有的单层结构涂层，无法既满足面层的耐高温防滑性又满足严苛的海洋大气腐蚀环境的要求，因此，需要提供一种新的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层及其制备方法以解决现有问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摩擦系数高、涂层结合强度高、抗高温耐蚀性能强的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层及其制备方法。
一种铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层，所述涂层包括：SAM2X5非晶合金耐蚀底层2及铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层1；所述铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层1由合金粉末及陶瓷粉末组成；所述合金粉末为按照质量分数的：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％；所述陶瓷粉末的质量占所述铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层1总质量的10％～70％。
其中，所述SAM2X5非晶合金为不含有机粘结剂的、粒度为200目的SAM2X5非晶合金粉末。
其中，所述合金粉末中包含精度为2N的铁、铬、钴、镍纯金属、硅含量为75％的硅铁粉和硼含量为24％的硼铁粉。
其中，所述陶瓷粉末为氧化铝、碳化硅或碳化硼。
本发明的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层的制备方法，所述方法包括：
(A)SAM2X5非晶合金耐蚀底层2的制备：a.对基材3表面进行喷砂、除油处理并清洗干净；b.使用激光熔覆设备对基材3表面进行所述SAM2X5非晶合金粉末喷涂：将所述SAM2X5非晶合金粉末在真空条件下烘干，采用同步送粉法进行激光多道熔覆；
(B)铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层1的制备：a.依次称取对应质量的铬、镍、钴、硅铁粉、硼铁粉，再进一步计算出铁的添加量并称取，制得合金粉末；b.将称好的所述合金粉末与陶瓷粉末混合后放入行星球磨机中，在氩气保护下进行球磨，球磨时间2h，球磨转速为300～400r/min；c.球磨结束后，由筛粉机筛出粒度为200～300目的粉体作为喷涂粉末；d.在所述SAM2X5非晶合金耐蚀底层2的基础上采用激光熔覆工艺喷涂所述喷涂粉末。
其中，所述SAM2X5非晶合金为不含有机粘结剂的、粒度为200目的SAM2X5非晶合金粉末；所述合金粉末中包含精度为2N的铁、铬、钴、镍纯金属、硅含量为75％的硅铁粉和硼含量为24％的硼铁粉；所述陶瓷粉末为氧化铝、碳化硅或碳化硼。
其中，步骤(A)中所述SAM2X5非晶合金粉末的激光多道熔覆的具体工艺参数为：激光功率为2000～3000W，扫描速度为100mm/min～600mm/min，激光光斑直径为3～6mm，搭接为2mm；所述SAM2X5非晶合金耐蚀底层2的结合强度为60MPa，激光熔覆的稀释率小于1.0％，孔隙率小于0.5％。
其中，制得的所述SAM2X5非晶合金耐蚀底层2的厚度为100～200μm。
其中，步骤(B)中喷涂所述喷涂粉末的具体工艺参数为：喷涂功率为3000W，扫描速度为500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接为2～4mm。
其中，制备得到所述铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层1的厚度为300～2000μm，与氯丁橡胶条的摩擦系数大于0.95。
一种高温耐蚀甲板防滑涂层制备方法，所述方法包括：采用激光熔覆技术在Q235碳钢上制备SAM2X5(Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4)非晶合金耐蚀底层，且SAM2X5非晶合金粉末的粒度在200目左右，所述底层的结合强度60MPa以上，激光熔覆的稀释率小于1.0％，孔隙率小于0.5％；铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层首先按照以下质量分数：Fe31Cr28B12Co11Ni10Si8进行高温耐磨激光熔覆用铁基合金粉末的配置，合金粉末的材料选自于精度为2N以上的铁、铬、钴、镍纯金属以及硅含量为75％的硅铁粉和硼含量为24％的硼铁粉；将配置好的铁基合金粉末和氧化铝、碳化硅或碳化硼等陶瓷粉末搅拌混合均匀，然后再将混合后的复合粉末球磨到200～300目的粒度，其中，陶瓷粉末的质量总占比为10％～70％。
所述激光熔覆铁基复合结构防滑涂层的制备方法，包括以下工艺步骤：
铁基非晶耐蚀底层的制备：先对基材表面进行喷砂、除油处理并清洗干净，使表面无附着杂物并具有一定的粗糙度；再使用激光熔覆设备对基材表面进行SAM2X5非晶合金粉末喷涂形成激光熔覆SAM2X5底层；具体的工艺参数为：激光功率2000～3000W，扫描速度为100mm/min～600mm/min，激光光斑直径为3～6mm，搭接2mm；
高温防滑面层的制备：在底层的基础上采用激光熔覆工艺喷涂铁基合金/陶瓷高温防滑涂层，具体的喷涂功率3000W，扫描速度500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接2～4mm；制备得到面层的厚度为300～2000μm，与氯丁橡胶条的摩擦系数大于0.95。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明所述激光熔覆铁基高温耐蚀防滑涂层摩擦系数高，涂层结合强度高，使用寿命长。
2、本发明制得的铁基高温耐蚀防滑涂层所用原材料便宜易得，易于实现自动化，且涂层破损后能快速进行局部修复。
3、本发明制得的铁基高温耐蚀防滑涂层不仅具有较好的防滑耐磨性能，还具有优异的抗高温冲蚀性能和耐海洋大气腐蚀性能。
4、本发明制备得到的铁基高温耐蚀防滑涂层不仅能够有效的降低船舶甲板的维护工作量，还能大大降低防滑涂层的全寿命费用，具有较高的经济效益，同时该涂层在制备过程中耗能低、污染小，又具有一定的社会效益。
本发明采用激光熔覆技术制备双层结构且破损后能快速修复的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层，制备得到的涂层能够满足现有舰船甲板防滑涂层在高温、高速气流冲蚀等特殊服役条件下的使用及防护问题，对于加速我国海军现代化建设和提高部队战斗力具有十分重要的军事意义。
附图说明
图1是本发明所述涂层的结构示意图；
其中，基材3、SAM2X5非晶合金耐蚀底层(激光熔覆SAM2X5耐蚀底层)2、铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(激光熔覆铁基合金/陶瓷高温防滑面层)1。
具体实施方式
以下通过实施例来说明本发明所述激光熔覆铁基耐高温防滑涂层的制备方法。
实施例1
所述激光熔覆铁基高温耐蚀防滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体(基材1)，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)按照质量分数分别为：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％进行合金粉末的配置，将配置好的合金粉末与质量总占比为40％的氧化铝粉末混合后球磨到200～300目的粒度，得到喷涂粉。
(3)将不含有机粘结剂的SAM2X5合金粉末与步骤(2)中配置好的复合粉末在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)采用同步送粉法进行激光熔覆，以激光功率3000W，扫描速度为200mm/min，激光光斑直径为4mm，搭接2mm；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的SAM2X5非晶合金耐蚀底层2；
(5)在底层的基础上采用激光熔覆工艺喷涂高温防滑面层(铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层3)，功率3000W，扫描速度500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接3mm；制备得到面层的厚度为500μm。
实施例2(对比例1，与实施例1相比，不含耐蚀底层)
所述激光熔覆铁基高温耐蚀防滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)按照质量分数分别为：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％进行合金粉末的配置，将配置好的合金粉末与质量总占比为40％的氧化铝粉末混合后球磨到200～300目的粒度，得到喷涂粉。
(3)将配置好的复合粉末在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)采用同步送粉法进行激光熔覆，功率3000W，扫描速度500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接3mm；进行喷涂，制备得到平均厚度在500μm左右的铁基合金/陶瓷复合涂层。
实施例3(对比例2，与实施例1相比，面层不含陶瓷粉末)
所述激光熔覆铁基高温防滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)按照质量分数分别为：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％进行合金粉末的配置，将配置好的合金粉末球磨到200～300目的粒度，得到喷涂粉。
(3)将不含有机粘结剂的SAM2X5合金粉末与步骤(2)中配置好的合金粉末在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)采用同步送粉法进行激光熔覆，以激光功率3000W，扫描速度为200mm/min，激光光斑直径为4mm，搭接2mm；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的SAM2X5合金耐蚀底层；
(5)在底层的基础上采用激光熔覆工艺喷涂高温防滑面层，功率3000W，扫描速度500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接3mm；制备得到面层的厚度为500μm。
实施例4(对比例3，与实施例1相比，采用等离子喷涂)
所述等离子喷涂铁基高温耐蚀防滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)按照质量分数分别为：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％进行合金粉末的配置，将配置好的合金粉末与质量总占比为40％的氧化铝粉末混合后球磨到200～300目的粒度，得到喷涂粉。
(3)将不含有机粘结剂的SAM2X5合金粉末与步骤(2)中配置好的复合粉末在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)打开等离子喷涂设备，以Ar与N2的混合气体作为工作气体，采用喷涂工艺参数：电流400A，电压70V，主气流量2.3m3/h，喷距12cm；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的等离子喷涂SAM2X5合金耐蚀底层。
(5)在底层的基础上采用等离子喷涂工艺制备高温防滑面层，以电流450A，电压100V，主气流量2.5m3/h，喷距10cm的工艺参数进行喷涂；制备得到面层的厚度为500μm。
实施例5
所述激光熔覆铁基高温耐蚀防滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)按照质量分数分别为：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％进行合金粉末的配置，将配置好的合金粉末与质量总占比为10％的碳化硅粉末混合后球磨到200～300目的粒度，得到喷涂粉。
(3)将不含有机粘结剂的SAM2X5合金粉末与步骤(2)中配置好的复合粉末在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)采用同步送粉法进行激光熔覆，以激光功率3000W，扫描速度为400mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接2mm；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的SAM2X5合金耐蚀底层；
(5)在底层的基础上采用激光熔覆工艺喷涂高温防滑面层，功率3000W，扫描速度500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接3mm；制备得到面层的厚度为500μm。
实施例6
所述激光熔覆铁基高温耐蚀防滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)按照质量分数分别为：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％进行合金粉末的配置，将配置好的合金粉末与质量总占比为70％的碳化硼粉末混合后球磨到200～300目的粒度，得到喷涂粉。
(3)将不含有机粘结剂的SAM2X5合金粉末与步骤(2)中配置好的复合粉末在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)采用同步送粉法进行激光熔覆，以激光功率3000W，扫描速度为500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接2mm；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的SAM2X5合金耐蚀底层；
(5)在底层的基础上采用激光熔覆工艺喷涂高温防滑面层，功率3000W，扫描速度500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接3mm；制备得到面层的厚度为500μm。
实施例7：摩擦系数测定
将实施例1-6制备得到的涂层按照国标GB/T 9263-1988《防滑甲板漆防滑性的测定》进行涂层摩擦系数的测试。试板尺寸为500mm×300mm×3mm钢板，传送带为100mm×50mm×11mm，传送带加滑块质量总和为20kg。得到各实施例的相关实验结果参数，详见表1：
表1平均摩擦系数
实施例 平均摩擦系数
1 1.01
2 0.99
3 0.69
4 0.97
5 0.83
6 1.32
由表1可知，实施例1、2、4、5、6得到的涂层与实施例3制得的涂层相比摩擦系数高；因此，含有陶瓷添加相的涂层表面具有较好的防滑性能。
实施例8：耐高温冲刷实验
采用氧炔火焰烧灼的模拟方法测试涂层的耐高温冲刷性能。冲刷距离200mm，冲刷角度为30°，冲刷持续时间为15s。模拟测试时，使用氧炔焰的中段火焰，以保证具有足够的冲击剪切力；采用精度为0.1mg的电子天平对冲刷前后试样称重。得到各实施例的相关实验结果参数，详见表2：
表2耐高温冲刷试验结果
实施例 平均磨损量
单位 g
1 0.22
2 0.24
3 0.15
4 1.35
5 0.18
6 0.45
由表2可知，实施例1-3、5-6制得的涂层与实施例4制得的涂层相比，平均磨损量较低，表现出了较好的耐高温冲刷性能。
实施例9：中性盐雾实验
参照模拟海洋大气腐蚀的GB/T 10125-1997《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行涂层耐蚀性能的测试。试验设备为JK-FH90盐雾试验机，24h喷雾，实验溶液为3.5wt％的NaCl溶液，盐雾箱的工作温度为(35±2)℃，pH值调整在6.5～7.2之间，试验总时间为一周，每隔24h取一次试样。测试结果表明：盐雾72h后，仅实施例4制得的涂层试样表面有红锈出现，其他实施例制得的涂层表面无明显变化；盐雾168h后，实施例2制得的涂层试样表面有红锈出现，带有耐蚀底层的涂层表面无明显变化。
本发明所述内容并不仅限于本发明所述实施例内容。
本文中应用了具体个例对本发明结构及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。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 (9)

1.一种铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层，其特征在于，所述涂层包括：
SAM2X5非晶合金耐蚀底层(2)及铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(1)；所述铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(1)由合金粉末及陶瓷粉末组成；所述合金粉末为按照质量分数的：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％；所述陶瓷粉末的质量占所述铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(1)总质量的10％～70％；
所述陶瓷粉末为氧化铝、碳化硅或碳化硼。
2.如权利要求1所述的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层，其特征在于，所述SAM2X5非晶合金为不含有机粘结剂的、粒度为200目的SAM2X5非晶合金粉末。
3.如权利要求1所述的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层，其特征在于，所述合金粉末中包含精度为2N的铁、铬、钴、镍纯金属、硅含量为75％的硅铁粉和硼含量为24％的硼铁粉。
4.一种如权利要求1所述的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
(A)SAM2X5非晶合金耐蚀底层(2)的制备：
a.对基材(3)表面进行喷砂、除油处理并清洗干净；b.使用激光熔覆设备对基材(3)表面进行所述SAM2X5非晶合金粉末喷涂：将所述SAM2X5非晶合金粉末在真空条件下烘干，采用同步送粉法进行激光多道熔覆；
(B)铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(1)的制备：
a.按照以下质量分数：铁31wt％、铬28wt％、硼12wt％、钴11wt％、镍10wt％、硅8wt％进行合金粉末的配置，具体步骤为依次称取对应质量的铬、镍、钴、硅铁粉、硼铁粉，再进一步计算出铁的添加量并称取铁，制得合金粉末；b.将称好的所述合金粉末与陶瓷粉末混合后放入行星球磨机中，在氩气保护下进行球磨，球磨时间2h，球磨转速为300～400r/min；c.球磨结束后，由筛粉机筛出粒度为200～300目的粉体作为喷涂粉末；d.在所述SAM2X5非晶合金耐蚀底层(2)的基础上采用激光熔覆工艺喷涂所述喷涂粉末。
5.如权利要求4所述的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层的制备方法，其特征在于，所述SAM2X5非晶合金为不含有机粘结剂的、粒度为200目的SAM2X5非晶合金粉末；所述合金粉末中包含精度为2N的铁、铬、钴、镍纯金属、硅含量为75％的硅铁粉和硼含量为24％的硼铁粉；所述陶瓷粉末为氧化铝、碳化硅或碳化硼。
6.如权利要求4所述的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层的制备方法，其特征在于，步骤(A)中所述SAM2X5非晶合金粉末的激光多道熔覆的具体工艺参数为：激光功率为2000～3000W，扫描速度为100mm/min～600mm/min，激光光斑直径为3～6mm，搭接为2mm；所述SAM2X5非晶合金耐蚀底层(2)的结合强度为60MPa，激光熔覆的稀释率小于1.0％，孔隙率小于0.5％。
7.如权利要求4所述的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层的制备方法，其特征在于，制得的所述SAM2X5非晶合金耐蚀底层(2)的厚度为100～200μm。
8.如权利要求4所述的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层的制备方法，其特征在于，步骤(B)中喷涂所述喷涂粉末的具体工艺参数为：喷涂功率为3000W，扫描速度为500mm/min，激光光斑直径为5mm，搭接为2～4mm。
9.如权利要求4所述的铁基复合结构高温耐蚀防滑涂层的制备方法，其特征在于，制备得到所述铁基非晶合金/陶瓷防滑顶层(1)的厚度为300～2000μm，与氯丁橡胶条的摩擦系数大于0.95。
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