CN109750247A - 一种复合材料涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料涂层，包括三层涂层的叠加，第二层作为第一层和第三层的夹层，第一层贴靠于机械零部件的外表面，第三层外露，第一层为与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末共同喷涂制备的涂层，第二层为利用陶瓷粉末和合金共同喷涂制备的涂层，第三层为采用2，4‑二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N‑双(2‑羟乙基)‑对苯二胺硫酸盐或4,5‑二氨基‑1‑(2‑羟乙基)吡唑硫酸盐中任意一种或两种的组合共同喷涂制备的涂层。本发明还公开了此种复合材料涂层的制备方法。采用本发明的技术方案，能够制备超厚涂层，且耐酸耐碱耐盐，能够制备表面颜色绚丽的涂层。

Description

一种复合材料涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种涂层，特别是一种复合材料涂层及其制备方法。

背景技术

随着表面改性技术的发展，以及表面喷涂的功能涂层如热障涂层、耐磨涂层、耐腐蚀涂层、绝缘涂层的应用环境越来越恶劣。恶劣环境下复合涂层性能的研究逐渐成为研究重点。传统的单层涂层其各方面的性能都达不到应用于恶劣环境的需求。因此，在基体表面喷涂不同成分的多层涂层来提高在高速、高温、高压、重载、腐蚀条件下工作的可靠性，相对有效的保护工件表面，承受反复载荷能力提高。机械零部件表面增材涂层绿色制造关键技术对工件表面的改性直接提高了恶劣环境下工件的使用寿命。

涂层可以满足不同硬度、隔热、防腐和抗氧化、导电和绝缘、抗高温等不同部件的功能，广泛用于如航空航天(如航空发动机高温叶片)、工程机械(各种耐磨部件)、建材机械(如成型部件的绞龙)、水电设备(如水轮机叶片)和管道运输系统(如面临磨料磨损的管道阀门)、发电燃气涡轮机(如高温叶片表面)等领域，目前国外对上述方面进行了较为全面的研究，知识产权相对完整，特别是在航空航天以及机械重要零部件的相关涂层专利齐全，而国内在这方面的知识产权相对零散，没有正对一个具体行业形成具有竞争力的专利。2011-ITSC会议上日本专家Namba调查了全球热喷涂应用在钢铁行业相关的专利，调查结果表明1990--2009年日本专利占39％，美国专利占22％，欧洲专利占17％，中国专利占9％，韩国专利占6％，俄罗斯专利占3％，巴西专利占3％，印度专利占1％。相对于日本、欧美等发达国家，中国热喷涂在钢铁行业的应用较少，发展空间巨大。从行业角度看，目前的发展趋势是普通机械制备行业正在代替航空及军工工业，成为热喷涂的第一大行业。

在特殊环境中，陶瓷涂层厚度是决定性能的重要指标，比如陶瓷层具有良好的绝缘性能，陶瓷涂层的厚度可以显著提高击穿电压；超厚耐磨陶瓷涂层的利用可以进一步提高部件寿命；导电陶瓷涂层具有良好的导电性能，较厚的涂层可以极大的提高高温腐蚀环境中的应用寿命；热障涂层系统在提高基体抗氧化性能的基础上，较厚的陶瓷涂层可以进一步降低部件温度等。但是金属与陶瓷材料的物理化学特性完全不同，特别是由于晶体结构、原子键构、热膨胀系数以及硬度等，导致在金属合金表面难以制备较厚(≥2mm)和高致密(≥96％)的陶瓷涂层；随着等离子热喷涂制备技术的发展，利用热喷涂等方法形成的传统陶瓷涂层厚度基本为1mm以下，即使利用粘结层提高涂层的结合强度，但喷涂过程中陶瓷与合金等基体具有较大的热膨胀系数差异，多次喷涂后容易导致陶瓷涂层具有较大的内应力，产生裂纹和脱落失效；所以，利用传统的热喷涂技术工艺和常规材料仍然不能大面积制备超厚(≥2mm)高致密(≥96％)陶瓷涂层。这将是本项目中机械零部件表面增材涂层绿色制造关键技术的突破点之一。

国内在热喷涂技术方面申请了许多专利，比如中国专利201010274694.X“钻头锥柄的修复方法”在合金表面用等离子喷涂NiAl结合层，然后利用火焰喷涂CrNi-Cr3C2涂层，涂层厚度仅为0.3-0.5mm。中国专利201210533098.8“一种铝合金耐磨涂层的制备方法”在铝合金表面利用等离子喷涂NiAl结合层和氧化物陶瓷粉末。中国专利201310477478.9“轴类零件氧化铝粉等离子喷涂修复方法”通过利用等离子或电弧喷涂制备氧化铝涂层，厚度约为20-30μm。然后上述这些陶瓷涂层，都不能达到1mm-5mm的厚度，要么在较厚时由于内应力较大而自然脱落，要么由于粘结强度低而不能正常磨损环境使用。而中国专利200910242442.6“一种制备大面积陶瓷板的方法”中，虽然可以制备出6mm的陶瓷板，但是由于将陶瓷板与石墨或石膏基体分离，严重限制了在机械等部件的应用，只能单一陶瓷板使用。中国专利201310272861.0“一种靶材及其制造方法”中，利用的是等离子转移弧喷涂，而且仅能在特定基体上制备1-3mm的合金涂层。主要从单一的热喷涂技术利用方面考虑，没有从机械零部件表面增材涂层绿色制造系统考虑绿色制造的发展。

中国专利201510329817.8采用真空等离子喷涂成型，在基体表面通过多次喷涂制备了超厚CoNiCrAlY涂层，最后得到≥1.5mm厚的涂层。中国专利201310693535.7在石英基材上依次喷涂了B4C梯度涂层以降低或消除界面物性突变和界面应力，提高石英基材和B4C涂层的结合强度。中国专利201110352789.3采用等离子熔覆法制备Fe基WC-Ni梯度涂层以提高涂层界面的结合强度。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现在的复合材料涂层不发制备超厚涂层，以及制备复合材料涂层需要进行多次喷涂的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种复合材料涂层，包括三层涂层的叠加，第二层作为第一层和第三层的夹层，第一层贴靠于机械零部件的外表面，第三层外露，第一层包括与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末，第二层包括陶瓷粉末和合金，第三层为着色涂层。

进一步地，第一层为为与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末共同喷涂制备的涂层。

进一步地，第二层为利用陶瓷粉末和合金共同喷涂制备的2mm以上的涂层，合金为NiAl或FeCr。

进一步地，第三层为采用染发剂中间体中任意一种或两种的组合共同喷涂制备的涂层。

进一步地，第一层中与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末按照质量份数配比为3～5:7～12。

进一步地，第二层中陶瓷粉末和合金按照质量份数配比为3～6:5～8。

进一步地，第三层所述染发剂中间体为2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐，2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐，根据所需喷涂形成的图案采用不同的质量份数的2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐，2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐相互之间不混合。

一种复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)称量所需用到的原材料；

2)制备第一层涂层：与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末共同喷涂制备的第一层涂层；

3)利用机械加工和热处理消除第一层涂层明显界面；

4)制备第二层涂层：利用陶瓷粉末和合金共同喷涂制备2mm以上的涂层；

5)制备第三层：根据所需喷涂形成图案的颜色在染发剂中间体中选择任意一种或两种的组合，然后根据图案色彩的搭配采用2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐进行分区域喷涂。

进一步地，所述步骤2)，步骤4)和步骤5)均为单次喷涂。

有益效果：本发明与现有技术相比：

(1)研究涂层界面结合机理，在第一层涂层开发和使用“界面模糊化技术”技术，使涂层与基体达到冶金结合强度，制备长寿命高性能涂层；

(2)形成机械部件内部为普通材料、表面为高性能材料的新型机械零部件设计理念，开发高耐磨及耐腐的表面增材涂层具体材料，对表面进行强化和预保护；

(3)在目前耐磨、耐腐蚀、抗氧化涂层基础上，打破该技术不能制备如第二层涂层的超厚涂层(2mm以上)的技术思维，制备致密超厚涂层；

(4)对失效机械零部件(汽车发动机等)进行再制造，研究开发绿色再制造技术，模拟涂层制备和使用过程中的界面形貌形成及演变过程。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

针对于钢管的涂层，一种复合材料涂层，包括三层涂层的叠加，第二层作为第一层和第三层的夹层，第一层贴靠于机械零部件的外表面，第三层外露，第一层包括铁粉或钢粉和陶瓷粉末氧化铝，第二层包括陶瓷粉末氧化铝和NiAl，第三层为着色涂层。

第一层为为与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末共同喷涂制备的涂层。

第三层为采用染发剂中间体，即2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐中任意一种或两种的组合共同喷涂制备的涂层。

第一层中与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末按照质量份数配比为3:7。

第二层中陶瓷粉末和合金按照质量份数配比为3:5。

第三层根据所需喷涂形成的图案采用不同的质量份数的2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐，2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐相互之间不混合。

采用此配方制备得到的复合材料涂层，第一层很好的结合在了基体上，第二层厚度达到3.5mm，第三层颜色绚丽且具有很好的耐酸耐碱耐盐性能。

实施例2

针对铁制工件，一种复合材料涂层，包括三层涂层的叠加，第二层作为第一层和第三层的夹层，第一层贴靠于机械零部件的外表面，第三层外露，第一层包括铁粉和陶瓷粉末氧化铝，第二层包括陶瓷粉末氧化铝和合金FeCr，第三层为着色涂层。

第一层为为与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末共同喷涂制备的涂层。

第三层为采用染发剂中间体，即2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐中任意一种或两种的组合共同喷涂制备的涂层。

第一层中与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末按照质量份数配比为5:12。

第二层中陶瓷粉末和合金按照质量份数配比为6:8。

第三层根据所需喷涂形成的图案采用不同的质量份数的2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐，2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐相互之间不混合。

采用此配方制备得到的复合材料涂层，第一层很好的结合在了基体上，第二层厚度达到13mm，第三层颜色绚丽且具有很好的耐酸耐碱耐盐性能。

实施例3

一种复合材料涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)称量所需用到的原材料；

2)制备第一层涂层：与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末共同喷涂制备的第一层涂层；

3)利用机械加工和热处理消除第一层涂层明显界面；

4)制备第二层涂层：利用陶瓷粉末和合金共同喷涂制备2mm以上的涂层；

5)制备第三层：根据所需喷涂形成图案的颜色在染发剂中间体，即2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐中选择任意一种或两种的组合，然后根据图案色彩的搭配采用2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐进行分区域喷涂。

步骤2)，步骤4)和步骤5)均为单次喷涂。

Claims (9)

1.一种复合材料涂层，其特征在于：包括三层涂层的叠加，第二层作为第一层和第三层的夹层，第一层贴靠于机械零部件的外表面，第三层外露，第一层包括与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末，第二层包括陶瓷粉末和合金，第三层为着色涂层。

2.根据权利要求1所述的复合材料涂层，其特征在于：第一层为为与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末共同喷涂制备的涂层。

3.根据权利要求1所述的复合材料涂层，其特征在于：第二层为利用陶瓷粉末和合金共同喷涂制备的2mm以上的涂层，合金为NiAl或FeCr。

4.根据权利要求1所述的复合材料涂层，其特征在于：第三层为采用染发剂中间体中任意一种或两种的组合共同喷涂制备的涂层。

5.根据权利要求1所述的复合材料涂层，其特征在于：第一层中与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末按照质量份数配比为3～5:7～12。

6.根据权利要求1所述的复合材料涂层，其特征在于：第二层中陶瓷粉末和合金按照质量份数配比为3～6:5～8。

7.根据权利要求1所述的复合材料涂层，其特征在于：第三层所述染发剂中间体为2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐，2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐，根据所需喷涂形成的图案采用不同的质量份数的2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐，2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐相互之间不混合。

8.一种如权利要求1所述的复合材料涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)称量所需用到的原材料；

2)制备第一层涂层：与金属零部件材料相同的金属材料和陶瓷粉末共同喷涂制备的第一层涂层；

3)利用机械加工和热处理消除第一层涂层明显界面；

4)制备第二层涂层：利用陶瓷粉末和合金共同喷涂制备2mm以上的涂层；

5)制备第三层：根据所需喷涂形成图案的颜色在染发剂中间体中选择任意一种或两种的组合，然后根据图案色彩的搭配采用2，4-二氨基苯氧基乙醇盐酸盐、N,N-双(2-羟乙基)-对苯二胺硫酸盐或4,5-二氨基-1-(2-羟乙基)吡唑硫酸盐进行分区域喷涂。

9.根据权利要求8所述的复合材料涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2)，步骤4)和步骤5)均为单次喷涂。