CN109735785A - 一种新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，对金属基体进行除锈、脱脂、喷砂预处理；通过大气等离子喷涂先在金属基体上表面制备成分为NiCoCrAlY的金属粘结层；采用大气等离子喷涂在金属粘结层上沉积疏水氧化铈陶瓷涂层。与现有技术相比，本发明采用氧化铈疏水材料，极大的提高了疏水涂层的机械性能，疏水氧化铈陶瓷涂层和金属基体间的金属粘结层则增强了涂层的耐高温性能；通过调控试验参数，等离子喷涂方法制备的氧化铈疏水涂层直接具有类似荷叶的双尺度粗糙度结构，大幅增加其疏水性能。
Description
技术领域
本发明属于疏水涂层技术领域，具体涉及一种新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法。
背景技术
疏水材料由于其优异的性能广泛应用于生活和生产的各个领域。如仿造荷叶结构制造的各种自清洁表面，带有自清洁效应的墙面可以减少人工维护成本；又比如仿造壁虎脚节奏制造的微流体传输仪，在微流体的传输中可以减少损失；另外由于接触面积的减小，表面的抗腐蚀性能和防雾、防冰性能也得到了提升。因此，不管是工业生产还是家庭生活领域，疏水材料都有着广泛的应用。目前的常规方法均使用了聚四氟乙烯、氟硅烷、硬脂酸这类有机物来降低表面能以达到疏水的目的。但这类有机物往往面临着不少问题，如在高温(300℃)下失效、不耐摩擦、弱的机械性能等等。因而限制了使用环境。和有机材料相比，无机材料往往具有更优秀的耐高温、机械性能。但是无机材料往往本征是亲水的，如氧化铝；或容易变成亲水的，如收到紫外辐照的氧化钛和氧化锌。据报道，稀土氧化物材料由于其稀土元素的特殊结构：未填满的4f轨道被填满的5s2p6轨道屏蔽。这种结构减小了稀土元素原子与水形成氢键的能力，因而稀土氧化物表现出一定的疏水性能。在稀土氧化物中，氧化铈由于其较为低廉的价格被选中研究的比较多。此前对氧化铈的研究采用了原子层沉积以及磁控溅射等方法。这些方法的沉积效率比较低，且成本较高。
发明内容
本发明提供一种新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，解决上述技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对金属基体进行除锈、脱脂、喷砂预处理；
(2)通过大气等离子喷涂在所述金属基体上表面制备金属粘结层；
(3)通过大气等离子喷涂在所述金属粘结层上沉积疏水氧化铈陶瓷涂层，形成具有金属基体、金属粘结层和疏水氧化铈陶瓷涂层的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(1)中所述喷砂预处理采用的喷砂压力为0.2～0.8MPa,喷砂颗粒成分为Al2O3，颗粒粒径为15～160目，经喷砂预处理后，所述金属基体的表面粗糙度Ra为1～20μm。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(2)中所述金属粘结层的厚度为70-220μm。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(2)中所述金属粘结层的成分为NiCoCrAlY。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(3)中所述疏水氧化铈陶瓷涂层厚度为100～200μm，表面粗糙度Ra为2～10μm。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(3)中所述疏水氧化铈陶瓷涂层的成分为氧化铈。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(2)、(3)中在所述大气等离子喷涂时，金属基体、金属粘结层的温度控制在100～400℃，喷枪与金属基体、金属粘结层之间的距离为90～300mm，喷枪移动速度为500～1200mm/s，送粉速率为12～60g/min，送粉气流为0.4～1.6L/min，电压范围为90～200V，喷涂电流范围为150～400A，Ar气流速范围为45～170L/min，H2气流速范围为11～40L/min。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(2)中在所述大气等离子喷涂之前，所述金属基体先预热至少两次。
本发明的有益效果是：采用氧化铈这种陶瓷材料，提高了疏水涂层的机械性能，特别是耐摩擦性能；基体和疏水陶瓷层之间的金属粘结层，则显著增强了疏水涂层的耐高温性能，避免了经高温环境热处理后，涂层从基体表面脱落的现象，拓宽了涂层使用的温度范围。热喷涂，尤其是等离子喷涂技术的沉积效率高，且易于控制，成本低廉，是一种有效可控的陶瓷涂层制备方法。另外，在热喷涂过程中，由于半熔化的陶瓷颗粒高速撞击到金属基板上，熔化的陶瓷颗粒会有一定程度的飞溅。半熔化的颗粒和飞溅的小颗粒会使得涂层的表面呈现出类似荷叶结构的双尺度粗糙度结构，这种结构会极大的增强涂层的疏水性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明所制得的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的截面效果示意图，其中，1为金属基体、2为金属粘结层、3为疏水氧化铈陶瓷涂层；
图2为本发明所制得的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的实际截面图；
图3为本发明所制得的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的表面形貌显微结构图；
图4为本发明所制得的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的微区表面形貌显微结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
如图1所示，本发明所述的一种新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，采用以下步骤：
(1)对金属基体1进行除锈、脱脂、喷砂预处理；
(2)通过大气等离子喷涂在金属基体1上表面制备厚度为70-220μm金属粘结层2。具体步骤为通过氩气和氢气等离子高温束流使Ni-22Cr-10Al-1.0Y(wt％)金属颗粒呈融化或者半融化状态，在束流的带动下喷向金属基体1表面，最终形成具有层状结构的金属粘结层2。在喷涂之前先将基体预热2次，喷枪与金属基体1、金属粘结层2间距离为90～300mm，喷枪移动速度为500～1200mm/s，送粉速率为12～60g/min，送粉气流为0.4～1.6L/min，电压范围为90～200V，喷涂电流范围为150～400A，Ar气流速范围为45～170L/min，H2气流速范围为11～40L/min。
(3)采用大气等离子喷涂制备疏水氧化铈陶瓷涂层，具体步骤为通过氩气和氢气等离子高温束流使氧化铈陶瓷颗粒呈融化或者半融化状态，在束流的带动下喷向基体表面，最终形成具有层状结构的疏水氧化铈陶瓷涂层。涂层厚度为100～200μm，表面粗糙度Ra为2～10μm。
上述两个步骤中提及的采用大气等离子喷涂，则喷枪与金属粘结层2间距离为90～300mm，喷枪移动速度为500～1200mm/s，送粉速率为12～60g/min，送粉气流为0.4～1.6L/min，电压范围为90～200V，喷涂电流范围为150～400A，Ar气流速范围为45～170L/min，H2气流速范围为11～40L/min。
如图2-4所示，通过在金属基体1和疏水氧化铈陶瓷涂层3之间增加金属粘结层2，显著增强了疏水氧化铈陶瓷涂层3的耐高温性能，避免了经高温环境热处理后，疏水氧化铈陶瓷涂层3从金属基体1表面脱落的现象，拓宽了疏水氧化铈陶瓷涂层3使用的温度范围。另外，在热喷涂过程中，由于半熔化的陶瓷颗粒高速撞击到金属基板1上，熔化的陶瓷颗粒会有一定程度的飞溅。半熔化的颗粒和飞溅的小颗粒会使得涂层的表面呈现出类似荷叶结构的双尺度粗糙度结构，这种结构会极大的增强疏水氧化铈陶瓷涂层3的疏水性能。
下面结合新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法介绍三个能够充分体现本发明内容的实施例：
实施例一：
首先将Hastelloy高温合金基体进行清洗、去油和使用60目砂子在0.4Mpa压力下喷砂处理。然后通过大气等离子喷涂方法在该基体上沉积一层厚度为150μm的NiCrAlY金属粘结层，然后再使用大气等离子喷涂沉积一层厚度为200μm的氧化铈涂层。大气等离子喷涂时，喷枪与金属粘结层间距离为90～300mm，喷枪移动速度为500～1200mm/s，送粉速率为12～60g/min，送粉气流为0.4～1.6L/min，电压范围为90～200V，喷涂电流范围为150～400A，Ar气流速范围为45～170L/min，H2气流速范围为11～40L/min。
这样制备的疏水涂层，表面粗糙度为Ra＝6μm，测得的接触角为140°。在500℃下处理2小时涂层也不会剥脱，而且可以维持其疏水性能。传统的疏水涂层在300℃处理时就会失去其疏水性能，变得亲水。如果不在基体和陶瓷层之间加入金属粘结层，在500℃处理时，陶瓷层会从金属集体上剥落。金属粘结层的加入以及选用陶瓷材料作为疏水涂层，增加了该疏水涂层的使用温度范围。另外，由于是本征疏水的陶瓷材料，其硬度高达420Hv，机械性能良好。
实施例二：
首先将Hastelloy高温合金基体进行清洗、去油和使用15目砂子在0.2Mpa压力下喷砂处理。然后通过大气等离子喷涂方法在该基体上沉积一层厚度为70μm的NiCrAlY金属粘结层，然后再使用大气等离子喷涂沉积一层厚度为100μm的氧化铈涂层。大气等离子喷涂时，喷枪与金属粘结层间距离为90mm，喷枪移动速度为500mm/s，送粉速率为12g/min，送粉气流为0.4L/min，电压范围为90V，喷涂电流范围为150A，Ar气流速范围为45L/min，H2气流速范围为11L/min。
这样制备的疏水涂层，表面粗糙度为Ra＝4μm，测得的接触角为137°。在500℃下处理2小时涂层也不会剥脱，而且可以维持其疏水性能。传统的疏水涂层在300℃处理时就会失去其疏水性能，变得亲水。如果不在基体和陶瓷层之间加入金属粘结层，在500℃处理时，陶瓷层会从金属集体上剥落。金属粘结层的加入以及选用陶瓷材料作为疏水涂层，增加了该疏水涂层的使用温度范围。另外，由于是本征疏水的陶瓷材料，其硬度高达417Hv，机械性能良好。
实施例三：
首先将Hastelloy高温合金基体进行清洗、去油和使用160目砂子在0.8Mpa压力下喷砂处理。然后通过大气等离子喷涂方法在该基体上沉积一层厚度为220μm的NiCrAlY金属粘结层，然后再使用大气等离子喷涂沉积一层厚度为200μm的氧化铈涂层。大气等离子喷涂时，喷枪与金属粘结层间距离为300mm，喷枪移动速度为1200mm/s，送粉速率为60g/min，送粉气流为1.6L/min，电压范围为200V，喷涂电流范围为400A，Ar气流速范围为170L/min，H2气流速范围为40L/min。
这样制备的疏水涂层，表面粗糙度为Ra＝8μm，测得的接触角为141°。在500℃下处理2小时涂层也不会剥脱，而且可以维持其疏水性能。传统的疏水涂层在300℃处理时就会失去其疏水性能，变得亲水。如果不在基体和陶瓷层之间加入金属粘结层，在500℃处理时，陶瓷层会从金属集体上剥落。金属粘结层的加入以及选用陶瓷材料作为疏水涂层，增加了该疏水涂层的使用温度范围。另外，由于是本征疏水的陶瓷材料，其硬度高达422Hv，机械性能良好。
所属领域内的普通技术人员应该能够理解的是，本发明的特点或目的之一在于：上述新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法：(1)疏水材料为陶瓷材料，机械性能好，耐摩擦；疏水陶瓷层与金属基板之前有一层金属粘结层，极大提高了疏水涂层的耐高温性能；采用了热喷涂这种沉积效率高的沉积技术，且一步制得了具有类似荷叶结构的表面，提高了涂层的疏水性能。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)对金属基体进行除锈、脱脂、喷砂预处理；
(2)通过大气等离子喷涂在所述金属基体上表面制备金属粘结层；
(3)通过大气等离子喷涂在所述金属粘结层上沉积疏水氧化铈陶瓷涂层，形成具有金属基体、金属粘结层和疏水氧化铈陶瓷涂层的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述喷砂预处理采用的喷砂压力为0.2～0.8MPa,喷砂颗粒成分为Al2O3，颗粒粒径为15～160目，经喷砂预处理后，所述金属基体的表面粗糙度Ra为1～20μm。
3.根据权利要求1所述的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述金属粘结层的厚度为70-220μm。
4.根据权利要求1所述的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述金属粘结层的成分为NiCoCrAlY。
5.根据权利要求1所述的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述疏水氧化铈陶瓷涂层厚度为100～200μm，表面粗糙度Ra为2～10μm。
6.根据权利要求1所述的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述疏水氧化铈陶瓷涂层的成分为氧化铈。
7.根据权利要求1所述的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)、(3)中在所述大气等离子喷涂时，金属基体、金属粘结层的温度控制在100～400℃，喷枪与金属基体、金属粘结层之间的距离为90～300mm，喷枪移动速度为500～1200mm/s，送粉速率为12～60g/min，送粉气流为0.4～1.6L/min，电压范围为90～200V，喷涂电流范围为150～400A，Ar气流速范围为45～170L/min，H2气流速范围为11～40L/min。
8.根据权利要求1所述的新型耐高温耐磨机械性能良好的疏水涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中在所述大气等离子喷涂之前，所述金属基体先预热至少两次。
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