CN113913721A - 一种用于超音速火焰喷涂的复合粉末、制备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超音速火焰喷涂的复合粉末、制备及应用，复合粉末包含99.5‑99.95 wt.%的超音速火焰喷涂用的合金或者金属陶瓷粉末和0.05‑0.5 wt.%的纳米材料，将纳米材料（石墨烯、碳纳米管或MXene）均匀的包覆在超音速火焰喷涂用的合金或者金属陶瓷粉末表面，通过化学镀镍工艺对粉末表面的纳米材料进行保护，并且不会破坏粉末的圆整度。纳米材料均匀包覆在粉末表面，结合力强，团聚程度低，镀镍层均匀致密，可直接用于超音速火焰喷涂并得到性能优异的复合涂层。

Description

一种用于超音速火焰喷涂的复合粉末、制备及应用

技术领域

本发明涉及材料表面防护技术的热喷涂材料，特别涉及用于超音速火焰喷涂复合粉末、具体的制备方法及具体应用。

背景技术

超音速火焰喷涂是一种常用的喷涂技术，由于所制备的涂层组织结构致密，氧化物含量低，涂层结合强度高等优点被广泛应用于工业生产中。由于喷涂设备以及喷涂技术的限制，用于进行超音速火焰喷涂的粉末需要较高的圆整度以及严格控制粒径分布（20-45μm），防止粉末堵塞送粉管道与喷枪导致设备损坏。随着复合材料的不断发展，研究人员发现纳米材料（石墨烯、碳纳米管、MXene等）的添加会提高复合材料的抗磨损、耐腐蚀或者防污性能。越来越多的研究人员希望利用超音速火焰喷涂制备高性能的复合涂层，从而将这些性能优良的复合涂层应用在工业生产中，但是这一研究也存在很多困难。

在块体的含纳米添加材料的复合材料制备过程中往往使用粉末冶金法，由于可以不考虑粉末形貌对块体材料的影响，可以使用高能球磨法将粉末与纳米添加材料均匀分散，但是对用于超音速火焰喷涂的粉末，这种工艺会使粉末破碎造成无法喷涂。在一些研究中通过降低机械混合的强度保证粉末的粒度与圆整度从而利用超音速火焰喷涂技术制备了复合涂层[Y.S. Wu, D.C. Zeng, Z.W. Liu, et al. Microstructure and slidingwear behavior of nanostructured Ni60-TiB₂ composite coating sprayed by HVOFtechnique [J]. Surf. Coat. Technol. 206 (2011) 1102-1108.]，然而这种工艺仍然存在缺陷，较低的机械混合强度会造成纳米添加材料粉末的团聚，此外机械混合多数是利用粉末与纳米添加材料之间的范德华力使纳米添加材料吸附在粉末表面，这种较低的结合力会使复合粉末表面的纳米添加材料在筛分与喷涂过程脱落团聚，降低复合涂层的性能。除此之外，部分研究利用喷雾造粒法制备复合粉末并且制备复合涂层，这种工艺所制备的粉末球形度高，筛分后可以得到用于超音速火焰喷涂用的粉末，但是这种制备方法仍然存在缺陷：首先，喷雾造粒设备成本较高；其次，喷雾造粒利用高温瞬间蒸发液滴中的水分使粉末保证高圆整度，这也会使粉末中的纳米添加材料发生氧化导致纳米添加材料损失；最后，喷雾造粒工艺会随着粉末组成相的改变而改变，需要较高的研发成本。因此，克服上述缺陷提出一种纳米材料均匀包覆的金属粉末或金属陶瓷粉末的工艺变得十分重要。

有鉴于上述现有复合粉末存在的缺陷，本发明人基于从事此类材料多年丰富经验及专业知识，配合理论分析，加以研究创新，开发一种复合粉末及其制备方法，通过工艺的优化，使得纳米材料均匀的包覆在金属粉末或者金属陶瓷粉末表面，利用镀层保护纳米材料减少对后续喷涂工艺的影响。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种用于超音速火焰喷涂的复合粉末，纳米材料均匀的包覆在合金粉末或者金属陶瓷粉末表面，纳米材料表面还包裹一层均匀的合金保护层，并且不会破坏粉末的圆整度。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提供的用于超音速火焰喷涂的复合粉末，在合金粉末或者金属陶瓷粉末表面包覆有纳米材料，包覆有合金粉末或者金属陶瓷粉末的纳米材料外表面通过化学镀镍保护材料表面；所述合金粉末或者金属陶瓷粉末含量为99.5-99.95 wt.%，所述纳米材料的含量为0.05-0.5 wt.%，镀镍层厚度为0.5-3 μm。

在本发明中任何可以用于超音速火焰喷涂的合金粉末或者金属陶瓷粉末都可以用在复合粉末制备中。

作为优选的，合金粉末为常用的热喷涂合金粉末如铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、非晶合金粉末或高熵合金粉末等；具体的，如铁基合金粉末：Fe含量大于等于50 wt.%同时含有Cr、C、N、Ni、Ti、Mn、Nb、Mo、Si、Cu、Al、B等元素中的一种或者多种的合金粉末，如12Cr12、00Cr12、316L等；镍基合金粉末：Ni含量大于等于35 wt.%同时含有C、Cr、Ti、Mn、Fe、Nb、Mo、Si、Cu、W、B等元素中的一种或者多种的合金粉末，如Ni25、F103、Ni60等；钴基合金粉末：Co含量大于等于35 wt.%同时含有C、Cr、Ni、Ti、Mn、Nb、Mo、Si、Cu、W、Fe、B等元素中的一种或者多种的合金粉末，如Haynes 188、Haynes 25(L-605)、Alloy S-816等；高熵合金粉末：含有Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti、Mn、Nb、Mo、Si、Cu、B等元素中5种或5种以上的元素每种元素摩尔含量为5-35 at.%）。

作为优选的，金属陶瓷粉末为常用的热喷涂粉末如WC基金属陶瓷粉末、Cr₃C₂基金属陶瓷粉末或陶瓷含量大于50 wt.%的金属陶瓷粉末；具体的如，WC基金属陶瓷粉末：WC含量大于等于50 wt.%粘结相为单一的Ni、Cr、Co、Fe、Mo或者含有以上金属组成的合金；Cr₃C₂基金属陶瓷粉末：Cr₃C₂含量大于等于50 wt.%粘结相为单一的Ni、Cr、Co、Fe、Mo或者含有以上金属组成的合金。

作为优选的，纳米材料为具有层片状结构或者纤维状结构的纳米增强相，如石墨烯、碳纳米管、MXene、片状MoS₂、碳纤维、石墨片等；本发明将纳米添加材料均匀包覆在合金或者金属陶瓷粉末表面，结合力强，团聚程度低。

作为优选的，镀镍层组织结构致密，镀镍层中无贵金属靶材，镀镍前不需要对粉末表面进行粗化处理；镀镍溶液由六水合硫酸镍（20-30 g/L）、二水合柠檬酸三钠（50-70 g/L）、次亚磷酸钠（20-30 g/L）、硼酸（25-35 g/L）以及氢氧化钠（10-20 g/L）组成，化学镀在75-85 ℃下进行，最终得到可直接用于超音速火焰喷涂的复合粉末并得到性能优异的复合涂层。

本发明的第二个目的是提供一种用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法，包括如下操作步骤，

S1.制备PVA（聚乙烯醇）溶液，将合金粉末或者金属陶瓷粉末与PVA溶液配制混合浆料，并抽滤后烘干，得到PVA处理后的粉末；

S2.将纳米材料与去离子水混合配制分散液；

S3.将S1制备的PVA处理后的粉末添加到去离子水中，并按照粉末质量的0.05-0.5wt.%添加含有同等质量纳米材料的分散液，混合搅拌并抽滤烘干得到包覆纳米材料的粉末；

S4. 将S3制备的包覆纳米材料的粉末添加到化学镀液中，水浴加热进行化学镀，在粉末表面制备厚度为0.5-3 μm的镀层，抽滤烘干后的到目标粉末。

作为优选的用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法，步骤S2中纳米材料为具有层片状结构或者纤维状结构的纳米增强相，如石墨烯、碳纳米管、MXene、片状MoS₂、碳纤维、石墨片中的任意一种。

作为优选的用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法，层片状纳米增强相（如石墨烯）的片径小于20 μm、片层数小于10 层，所述纤维状纳米增强相（如碳纳米管）的管径小于50 nm、管长为1-30 μm，所述MXene的粒径小于10 μm。

作为优选的用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法，S2制备分散液的过程中，分散液通过超声细胞破碎仪分散，分散过程中通过冰浴将溶液温度控制在20 ℃以下。

作为优选的，镀镍溶液由六水合硫酸镍（20-30 g/L）、二水合柠檬酸三钠（50-70g/L）、次亚磷酸钠（20-30 g/L）、硼酸（25-35 g/L）以及氢氧化钠（10-20 g/L）组成，化学镀在75-85℃下进行，最终得到可直接用于超音速火焰喷涂并得到性能优异的复合涂层。

更进一步的，用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法具体操作步骤如下：

S1：将聚乙烯醇（PVA，1799型）与去离子水混合，水浴至95-99 ℃，在300-600 rpm的转速下搅拌混合5-8 h制备出2-5 wt.%的PVA溶液，当PVA溶液浓度低于2 wt.%时，得到的复合粉末表面PVA含量过低，对纳米增强相的吸附作用较差，当PVA溶液浓度高于5 wt.%时，溶液黏度过高，复合粉末相互粘结不利于喷涂的进行；将金属陶瓷或者合金粉末与PVA溶液以质量比1:3-1:5的比例下配制混合浆料，通过定子转子高速搅拌器搅拌混合，转速为3000-6000 rpm混合30 min-120 min （每5 min一组，工作5 min静置5 min防止设备与浆料过热）；混合结束后，将浆料抽滤后在60-80 ℃下烘干，滤纸孔径为10-20 μm。超音速火焰喷涂粉末的粒径均大于20 μm。在过滤过程中多余的纳米增强相以及破碎的小颗粒复合粉末可以通过滤纸，防止纳米增强相在粉末中团聚缠结并且进一步控制复合粉末的粒度范围，而喷涂用的复合粉末无法通过滤纸。

S2：将纳米材料碳纳米管（纤维状纳米增强相）（管径小于50 nm、管长在1-30 μm）、石墨烯（层片状纳米增强相）（片径小于20 μm、片层数小于10 层）或者MXene（粒径小于10 μm）与去离子水混合配制1-5 mg/mL的分散液。分散液通过超声细胞破碎仪分散2-6 h，分散过程中通过冰浴将溶液温度控制在20 ℃以下，防止纳米添加材料团聚。

对于纤维状的纳米增强相来说，复合粉末表面的纳米增强相吸附量与粉末表面的曲率有关，纳米增强相粉末吸附在复合粉末表面需要发生一定的弯折，由于复合粉末表面吸附力有限无法诱导纳米增强相发生大幅度弯折，所以需要控制纳米增强相尺寸，对于纤维增强相直径小于50 nm，纤维长度控制在30 μm以内。与纤维增强相相比层片状的纳米增强相发生变形更加困难则需要更小的尺寸，以降低增强相变形幅度。除此之外，层片状纳米增强相还应控制增强相层数，过多的层数，会在涂层中形成缺陷，从而降低涂层性能。因此，需要严格控制相关材料的参数。超声处理能将团聚的纳米增强相彻底分开形成悬浮液，在吸附过程中增强相以单根纤维或者单个颗粒的形式吸附，而非以团簇的形式吸附。

S3：将PVA处理后的粉末添加到去离子水中，质量百分比为0.5:1-3:1，按照粉末质量的0.05-0.5 wt.%添加含有同等质量纳米添加材料的分散液，去离子水过多会极大限度的稀释纳米添加材料的分散液，降低吸附效率，较少的去离子水会导致浆料黏度过大阻碍搅拌混合，在600 rpm的转速下搅拌混合3-8 h，混合吸附后将浆料抽滤烘干（60-80 ℃）得到复合粉末。

S4：将S3制备的粉末添加到化学镀液中，镀镍溶液（化学镀液）由六水合硫酸镍（20-30 g/L）、二水合柠檬酸三钠（50-70 g/L）、次亚磷酸钠（20-30 g/L）、硼酸（25-35 g/L）以及氢氧化钠（10-20 g/L）组成，粉末与镀液质量比为1:10-1:50，水浴加热至75-85 ℃进行化学镀，化学镀过程中进行机械搅拌转速为300-600 rpm，在粉末表面制备厚度为0.5-3μm的镀层，抽滤烘干后的到目标粉末。

本发明的第三个目的是提供一种用于超音速火焰喷涂的复合粉末的具体应用及方法。

本发明的上述技术效果是由以下技术方案实现的：

本发明的复合粉末应用于超音速火焰喷涂的应用方法，包括如下操作步骤，

步骤一：清洁待喷涂的基体材料表面；

步骤二：利用复合粉末、采用超音速火焰喷涂技术对步骤一清洁的基体材料表面进行喷涂。

作为优选的，步骤一：首先利用蒸馏水清洗待喷涂基体材料表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，之后利用乙醇清洗基体表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，最后对基体进行喷砂处理；

步骤二：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂工艺参数为原始的合金粉末或者金属陶瓷粉末的喷涂工艺，其中本发明制备的复合粉末中少量的添加纳米材料并不会影响粉末喷涂工艺参数，有效的节省了喷涂工艺的研发成本。

作为优选的，其中的复合粉末在合金粉末或者金属陶瓷粉末表面包覆有纳米材料，包覆有合金粉末或者金属陶瓷粉末的纳米材料外表面通过化学镀镍保护材料表面；所述合金粉末或者金属陶瓷粉末含量为99.5-99.95 wt.%，所述纳米材料的含量为0.05-0.5wt.%，镀镍层厚度为0.5-3 μm。

作为优选的，合金粉末为常用的热喷涂合金粉末如铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、非晶合金粉末或高熵合金粉末等；具体的，如铁基合金粉末：Fe含量大于等于50 wt.%同时含有Cr、C、N、Ni、Ti、Mn、Nb、Mo、Si、Cu、Al、B等元素中的一种或者多种的合金粉末，如12Cr12、00Cr12、316L等；镍基合金粉末：Ni含量大于等于35 wt.%同时含有C、Cr、Ti、Mn、Fe、Nb、Mo、Si、Cu、W、B等元素中的一种或者多种的合金粉末，如Ni25、F103、Ni60等；钴基合金粉末：Co含量大于等于35 wt.%同时含有C、Cr、Ni、Ti、Mn、Nb、Mo、Si、Cu、W、Fe、B等元素中的一种或者多种的合金粉末，如Haynes 188、Haynes 25(L-605)、Alloy S-816等；高熵合金粉末：含有Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti、Mn、Nb、Mo、Si、Cu、B等元素中5种或5种以上的元素每种元素摩尔含量为5-35 at.%。

作为优选的，金属陶瓷粉末为常用的热喷涂粉末如WC基金属陶瓷粉末、Cr₃C₂基金属陶瓷粉末或陶瓷含量大于50 wt.%的金属陶瓷粉末；具体的如，WC基金属陶瓷粉末：WC含量大于等于50 wt.%粘结相为单一的Ni、Cr、Co、Fe、Mo或者含有以上金属组成的合金；Cr₃C₂基金属陶瓷粉末：Cr₃C₂含量大于等于50 wt.%粘结相为单一的Ni、Cr、Co、Fe、Mo或者含有以上金属组成的合金。

作为优选的，纳米材料为具有层片状结构或者纤维状结构的纳米增强相，如石墨烯、碳纳米管、MXene、片状MoS₂、碳纤维、石墨片等；本发明将纳米添加材料均匀包覆在合金或者金属陶瓷粉末表面，结合力强，团聚程度低。

作为优选的，镀镍层组织结构致密，镀镍层中无贵金属靶材，镀镍前不需要对粉末表面进行粗化处理；镀镍溶液由六水合硫酸镍（20-30 g/L）、二水合柠檬酸三钠（50-70 g/L）、次亚磷酸钠（20-30 g/L）、硼酸（25-35 g/L）以及氢氧化钠（10-20 g/L）组成，化学镀在75-85℃下进行，最终得到可直接用于超音速火焰喷涂的复合粉末并得到性能优异的复合涂层。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的复合粉末在合金或者金属陶瓷粉末表面吸附形成PVA薄膜，烘干后PVA薄膜固化并且具有一定的韧性这使粉末表面的PVA薄膜极难脱落，将带有PVA的粉末与纳米材料分散液搅拌混合使纳米添加材料表面的羧基与末端O之间形成氢键，氢键的结合力远大于范德华力，使复合粉末表面的纳米添加材料难以脱落并且提高纳米添加材料的吸附量。通过设计优化添加工艺使碳纳米管、石墨烯或者MXene在喷涂粉末表面均匀分布并且喷涂粉末无明显的变形与破碎，粉末经过筛分后便可进行喷涂，成本低，效率高；纳米添加材料不会影响粉末的喷涂工艺，节省了工艺开发成本。

2.本发明利用在纳米材料均匀包覆的复合粉末表面制备镀层的方法，降低纳米材料在喷涂过程中的损耗。对于传统的化学镀工艺，原始粉末的表面通常需要进行刻蚀处理，使粉末表面产生纳米台阶结构，这也使粉末表面缺陷增加。如果不破坏粉末表面就需要在粉末表面吸附纳米贵金属粉末，诱导镀液在原始粉末表面反应形核，这种工艺成本极高，贵金属粉末还会影响涂层的力学性能。本发明利用纳米材料在粉末表面形成致密的微纳米结构，在化学镀过程中有效地捕获初生的纳米镍磷颗粒，使镀层在粉末表面形核生长，同时内部的纳米材料还受到了有效地保护。

3.采用本发明工艺制备的复合粉末，制备为涂层后，涂层中存在的添加相与涂层结合紧密，使涂层力学性能得到提高从而提高涂层的耐磨性能。相比于常规工艺喷涂的涂层，涂层在添加纳米增强相后摩擦系数会发生下降（通常下降0.03以上），这是由于涂层中的纳米添加相在磨损过程中形成细小的磨屑起到固体润滑的效果。

4.此种复合粉末制备方法可以大范围应用于超音速火焰喷涂的复合涂层制备中，涂层的结合强度大于70 MPa，涂层的力学性能与耐磨性能得到提高。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的含碳纳米管包覆的复合粉末在不同放大倍率下的表面形貌。

图2 为本发明实施例1制得的含碳纳米管包覆的复合粉末镀镍后的最终粉末形貌。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的一种复合粉末及其制备方法、应用和应用方法，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1

复合粉末，其中包括99.95 wt.%的超音速火焰喷涂用的WC-Ni粉末和0.05 wt.%的碳纳米管。

其中复合粉末由如下步骤制得：

S1：将聚乙烯醇（PVA，1799型）与去离子水混合，水浴至95-99 ℃，在300 rpm 的转速下搅拌混合5 h制备出2 wt.%的PVA溶液；将WC-Ni粉末与PVA溶液以质量比1:3的比例下配制混合浆料，通过定子转子高速搅拌器搅拌混合，转速为3000 rpm混合30 min （每5 min一组，工作5 min静置5 min防止设备与浆料过热）；混合结束后，将浆料抽滤后在60-80 ℃下烘干，滤纸孔径在10-20 μm；

S2：将碳纳米管（管径小于50 nm、管长在1-30 μm）与去离子水混合配制1 mg/mL的分散液，分散液通过超声细胞破碎仪破碎2 h，分散过程中通过冰浴将溶液温度控制在20℃以下，防止纳米添加材料团聚；

S3：将PVA处理后的粉末添加到去离子水中，质量百分比为2:1，按照粉末质量的0.05 wt.%添加含有同等质量碳纳米管的分散液，在600 rpm的转速下搅拌混合 3 h，混合吸附后将浆料抽滤烘干，烘干温度为60-80 ℃，得到复合粉末。

S4：将制备的粉末添加到化学镀液中，镀镍溶液由六水合硫酸镍（20 g/L）、二水合柠檬酸三钠（50 g/L）、次亚磷酸钠（20 g/L）、硼酸（25 g/L）以及氢氧化钠（10 g/L）组成，粉末与镀液质量比为1:50，水浴加热至80 ℃进行化学镀，化学镀过程中进行机械搅拌搅拌速度为300 rpm。反应结束后抽滤烘干。

将上述的含纳米添加材料的复合粉末，用于喷涂超音速火焰喷涂复合涂层的应用，包括如下操作步骤：

步骤一：首先利用蒸馏水清洗基体材料表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，之后利用乙醇清洗基体表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，最后对基体进行喷砂处理；

步骤二：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂工艺参数：氧气流量1980 scfh；煤油流量6.2 gph；载气流量23 scfh；喷涂距离380 mm；喷枪移动速度280 mm∙s^-1。

经验证，所得到的粉末圆整度高，通过激光粒度仪(Mastersizer 3000, UK,Mastersizer )检测粉末粒度分布，复合粉末粒度（D10：26.8 μm；D50：35.7 μm；D90：49.6 μm）与原始粉末（D10：25.5 μm；D50：34.2 μm；D90：47.3 μm）基本一致，粉末表面碳纳米管均匀分布；复合涂层断裂韧性为4.01 MPa·m^1/2，采用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的HT-1000型摩擦磨损试验机测试了涂层室温的摩擦系数，测试转速为15.9 rps，载荷为300g，涂层摩擦系数为0.55。

实施例2

复合粉末，其中包括99.5 wt.%的超音速火焰喷涂用的Cr₃C₂-NiCr陶瓷粉末和0.5wt.%的石墨烯。

其中复合粉末由如下步骤制得：

S1：将聚乙烯醇（PVA，1799型）与去离子水混合，水浴至95-99 ℃，在600 rpm 的转速下搅拌混合8 h制备出5 wt.%的PVA溶液；将Cr₃C₂-NiCr粉与PVA溶液以质量比1:3的比例下配制混合浆料，通过定子转子高速搅拌器搅拌混合，转速为3000 rpm混合120 min （每5min一组，工作5 min静置5 min防止设备与浆料过热）；混合结束后，将浆料抽滤后在60-80℃下烘干，滤纸孔径在10-20 μm。

S2：将石墨烯（片径小于20 μm、片层数小于10 层）与去离子水混合配制5 mg/mL的分散液，分散液通过超声细胞破碎仪破碎6 h，分散过程中通过冰浴将溶液温度控制在20℃以下，防止纳米添加材料团聚；

S3：将PVA处理后的粉末添加到去离子水中，质量百分比为0.5:1，按照粉末质量的0.5 wt.%添加含有同等质量石墨烯的分散液，在600 rpm的转速下搅拌混合 8 h，混合吸附后将浆料抽滤烘干，烘干温度为60-80 ℃，得到复合粉末。

S4：将制备的粉末添加到化学镀液中，镀镍溶液由六水合硫酸镍（30 g/L）、二水合柠檬酸三钠（70 g/L）、次亚磷酸钠（30 g/L）、硼酸（35 g/L）以及氢氧化钠（20 g/L）组成，粉末与镀液质量比为1:25，水浴加热至85 ℃进行化学镀，化学镀过程中进行机械搅拌搅拌速度为600 rpm。反应结束后抽滤烘干。

将上述的含纳米添加材料的复合粉末，用于喷涂超音速火焰喷涂复合涂层的应用，包括如下操作步骤：

步骤一：首先利用蒸馏水清洗基体材料表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，之后利用乙醇清洗基体表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，最后对基体进行喷砂处理；

步骤二：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂工艺参数：氧气流量1900 scfh；煤油流量6 gph；载气流量23 scfh；喷涂距离380 mm；喷枪移动速度280 mm∙s^-1。

经验证，所得到的粉末圆整度高，复合粉末粒度（D10：23.1 μm；D50：38.5 μm；D90：49.6 μm）与原始粉末（D10：26.2 μm；D50：37.1 μm；D90：48.3 μm）基本一致，粉末表面石墨烯均匀分布；复合涂层断裂韧性为4.32 MPa·m^1/2，采用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的HT-1000型摩擦磨损试验机测试了涂层室温的摩擦系数，测试转速为15.9 rps，载荷为300 g，测试时间为1h涂层摩擦系数为0.42。

实施例3

复合粉末，其中包括99.5 wt.%的超音速火焰喷涂用的AlCoCrFeNi粉末（五种原始摩尔含量相等）和0.5 wt.%的MXene（粒径小于10 μm）。

其中复合粉末由如下步骤制得：

S1：将聚乙烯醇（PVA，1799型）与去离子水混合，水浴至95-99 ℃，在600 rpm 的转速下搅拌混合8 h制备出3 wt.%的PVA溶液；将AlCoCrFeNi粉末与PVA溶液以质量比1:5的比例下配制混合浆料，通过定子转子高速搅拌器搅拌混合，转速为3000 rpm混合30 min（每5min一组，工作5 min静置5 min防止设备与浆料过热）；混合结束后，将浆料抽滤后在60-80℃下烘干，滤纸孔径在10-20 μm。

S2：将MXene与去离子水混合配制5 mg/mL的分散液，分散液通过超声细胞破碎仪破碎6 h，分散过程中通过冰浴将溶液温度控制在20 ℃以下，防止纳米添加材料团聚。

S3：将PVA处理后的粉末添加到去离子水中，质量百分比为3:1，按照粉末质量的0.5 wt.%添加含有同等质量MXene的分散液，在600 rpm的转速下搅拌混合 8 h，混合吸附后将浆料抽滤烘干，烘干温度60-80 ℃，得到复合粉末。

S4：将制备的粉末添加到化学镀液中，镀镍溶液由六水合硫酸镍（30 g/L）、二水合柠檬酸三钠（70 g/L）、次亚磷酸钠（30 g/L）、硼酸（35 g/L）以及氢氧化钠（20 g/L）组成，粉末与镀液质量比为1:10，水浴加热至75 ℃进行化学镀，化学镀过程中进行机械搅拌搅拌速度为600 rpm。反应结束后抽滤烘干。

将上述的含纳米添加材料的复合粉末，用于喷涂超音速火焰喷涂复合涂层的应用，包括如下操作步骤：

步骤一：首先利用蒸馏水清洗基体材料表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，之后利用乙醇清洗基体表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，最后对基体进行喷砂处理；

步骤二：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂工艺参数：氧气流量1700 scfh；煤油流量7 gph；载气流量23 scfh；喷涂距离380 mm；喷枪移动速度280 mm∙s^-1。

经验证，所得到的粉末圆整度高，复合粉末粒度（D10：22.1 μm；D50：36.5 μm；D90：48.3 μm）与原始粉末（D10：24.3 μm；D50：35.5 μm；D90：46.2 μm）基本一致，粉末表面MXene均匀分布。复合涂层断裂韧性为105 MPa·m^1/2，采用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的HT-1000型摩擦磨损试验机测试了涂层室温的摩擦系数，测试转速为15.9 rps，载荷为300 g，测试时间为1 h涂层摩擦系数为0.56。

本发明提供的复合粉末，应用在超音速火焰喷涂中成本低，操作简单；粉末制备的混合过程中纳米添加材料利用效率高，均匀分布在粉末表面，镀镍成本极低，粉末在混合过程中几乎没有发生碎裂与变形，完全满足超音速火焰喷涂技术对喷涂粉末的要求，制备出的涂层具有较好的断裂韧性与优异的耐磨损性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例展示如上，但并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于超音速火焰喷涂的复合粉末，其特征在于：所述复合粉末为在合金粉末或者金属陶瓷粉末表面包覆有纳米材料，包覆有合金粉末或者金属陶瓷粉末的纳米材料外表面通过化学镀镍保护材料表面；所述合金粉末或者金属陶瓷粉末含量为99.5-99.95 wt.%，所述纳米材料的含量为0.05-0.5 wt.%，镀镍层厚度为0.5-3 μm。

2.根据权利要求1所述的用于超音速火焰喷涂的复合粉末，其特征在于：所述合金粉末为铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、非晶合金粉末或高熵合金粉末。

3.根据权利要求1所述的用于超音速火焰喷涂的复合粉末，其特征在于：所述金属陶瓷粉末为WC基金属陶瓷粉末、Cr₃C₂基金属陶瓷粉末或陶瓷含量大于50 wt.%的金属陶瓷粉末。

4.根据权利要求1所述的用于超音速火焰喷涂的复合粉末，其特征在于：所述纳米材料为具有层片状结构或者纤维状结构的纳米增强相。

5.根据权利要求1所述用于超音速火焰喷涂的复合粉末，其特征在于：所述镀镍层组织结构致密，镀镍层中无贵金属靶材，镀镍前不需要对粉末表面进行粗化处理。

6.根据权利要求1~5任一项所述的用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法，其特征在于：包括如下操作步骤，

S1.制备PVA溶液，将合金粉末或者金属陶瓷粉末与PVA溶液配制混合浆料，并抽滤后烘干，得到PVA处理后的粉末；

S2.将纳米材料与去离子水混合配制分散液；

S3.将S1制备的PVA处理后的粉末添加到去离子水中，并按照粉末质量的0.05-0.5wt.%添加含有同等质量纳米材料的分散液，混合搅拌并抽滤烘干得到包覆纳米材料的粉末；

S4. 将S3制备的包覆纳米材料的粉末添加到化学镀液中，水浴加热进行化学镀，在粉末表面制备厚度为0.5-3 μm的镀层，抽滤烘干后的到目标粉末。

7.根据权利要求6所述的用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中纳米材料为具有层片状结构或者纤维状结构的纳米增强相。

8.根据权利要求7所述的用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法，其特征在于：所述层片状纳米增强相的片径小于20 μm，片层数小于10 层，所述纤维状纳米增强相的管径小于50 nm，管长为1-30 μm，所述MXene的粒径小于10 μm。

9.根据权利要求5~8任一项所述的用于超音速火焰喷涂的复合粉末的制备方法，其特征在于：所述S2制备分散液的过程中，分散液通过超声细胞破碎仪分散，分散过程中通过冰浴将溶液温度控制在20 ℃以下。

10.权利要求1~5任一项所述的用于超音速火焰喷涂的复合粉末应用于超音速火焰喷涂的应用方法，其特征在于：包括如下操作步骤，

步骤一：清洁待喷涂的基体材料表面；

步骤二：利用复合粉末、采用超音速火焰喷涂技术对步骤一清洁的基体材料表面进行喷涂。

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