CN115106532A - 一种含有耐磨涂层的金属基材及其制备方法 - Google Patents

一种含有耐磨涂层的金属基材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种含有耐磨涂层的金属基材及其制备方法，以钛氧和铝氧为掺杂剂，钛合金粉为主耐磨剂，以硅氧结构为缝隙填补剂，并提供了具体方法。本发明解决了金属表面耐磨层效果不佳的问题，利用钛氧结构与铝氧结构形成表面活性羟基，提升钛合金自身的连接性，同时利用蒸汽渗透原理，将硅源渗透至钛合金层的缝隙内，并在水解体系中达到填补缝隙，形成硅氧连接结构的效果。

Description

一种含有耐磨涂层的金属基材及其制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种含有耐磨涂层的金属基材及其制备方法。
背景技术
随着工业的发展，金属基材工程设备应用越来越广，金属设备与金属构件的腐蚀日益突出，尤其是在长期冲刷的机械环境下。然而，在实际运行过程中，长期冲刷过程中会带来大量的动能转化，造成表面摩擦热，即，金属基材表面受到温度和压力的机械磨损。目前的耐磨层虽然能够起到常规条件下的耐磨效果，遇到高温高压的条件，磨损较为严重。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种含有耐磨涂层的金属基材，解决了金属表面耐磨层效果不佳的问题，利用钛氧结构与铝氧结构形成表面活性羟基，提升钛合金自身的连接性，同时利用蒸汽渗透原理，将硅源渗透至钛合金层的缝隙内，并在水解体系中达到填补缝隙，形成硅氧连接结构的效果。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种含有耐磨涂层的金属基材的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金属基材进行表面处理，形成表面粗糙的金属基材；
步骤2，将纳米钛合金粉放入乙醚中搅拌形成浆料，然后喷雾至金属基材表面液膜，反复多次后恒温压实，得到合金层，所述合金层的厚度为0.5-0.8mm；所述纳米钛合金粉在乙醚中的浓度为100-300g/L，所述喷雾量为0.2-0.4mL/cm2，恒温压实的压力为0.2-0.4MPa，温度为50-80℃；
步骤3，将钛酸正丁酯和异丙醇铝加入至乙醚中搅拌均匀形成混合液，然后喷雾至合金层，恒温静置10-20min，反复多次，得到复合合金层；所述钛酸正丁酯与异丙醇铝的摩尔比为1:3，且钛酸正丁酯在乙醚中的浓度为100-200g/L，所述喷雾量为1-3mL/cm2，恒温静置的温度40-50℃；
步骤4，将复合合金层放入反应釜中静置1-2h，然后取出并热等静压烧结处理1-2h，得到预制材料，所述反应釜内的氛围为氮气与水蒸汽氛围，且氮气与水蒸气的体积比为20-30:1，静置的温度为50-70℃，所述热等静压烧结的温度为1000-1100℃；
步骤5，将三氯硅烷加入并通入放置预制材料的反应釜内静置1-2h，然后取出并放置在反应釜内反应1-2h，经高温烧结后得到含有耐磨涂层的金属基材；所述三氯硅烷的通入速度为3-5mL/min，通入时间为5-8min，所述静置的温度从50℃下降至20℃；所述反应釜内的氛围中含有2％的水蒸气，高温烧结的温度为500-700℃。
所述表面处理包括如下步骤：a1，将金属基材放入乙醇水溶液中微波处理20-50min，所述乙醇水溶液中的乙醇体积占比为50-60％，微波处理的温度为30-50℃，微波功率为200-500W；a2，将上述金属基材放入乙醇乙醚液中低温微波反应30-50min，得到洁净的金属基材；所述乙醚乙醇液中的乙醚与乙醇的体积比为1:1-2，低温微波反应的温度为10-15℃，微波功率为100-200W；a3，将上述金属基材进行表面磨砂，形成表面粗糙的金属基材。
一种含有耐磨涂层的金属基材，以钛氧和铝氧为掺杂剂，钛合金粉为主耐磨剂，以硅氧结构为缝隙填补剂。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了金属表面耐磨层效果不佳的问题，利用钛氧结构与铝氧结构形成表面活性羟基，提升钛合金自身的连接性，同时利用蒸汽渗透原理，将硅源渗透至钛合金层的缝隙内，并在水解体系中达到填补缝隙，形成硅氧连接结构的效果。
2.本发明利用以钛元素远多于氧元素的情况下，形成缺氧型结构体系，促使硅氧结构与铝氧结构稳定结合在钛氧结构或者钛表面，有效的提升合金层致密性。
3.本发明提供的工艺中利用硅源的蒸汽渗透性，有效的解决了粉末镀膜已出现的缝隙结构难填补问题，实现了整体的致密化结构。
具体实施方式
结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种含有耐磨涂层的金属基材的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金属基材进行表面处理，形成表面粗糙的金属基材；
步骤2，将纳米钛合金粉放入乙醚中搅拌形成浆料，然后喷雾至金属基材表面液膜，反复多次后恒温压实，得到合金层，所述合金层的厚度为0.5mm；所述纳米钛合金粉在乙醚中的浓度为100g/L，所述喷雾量为0.2mL/cm2，恒温压实的压力为0.2MPa，温度为50℃；
步骤3，将钛酸正丁酯和异丙醇铝加入至乙醚中搅拌均匀形成混合液，然后喷雾至合金层，恒温静置10min，反复多次，得到复合合金层；所述钛酸正丁酯与异丙醇铝的摩尔比为1:3，且钛酸正丁酯在乙醚中的浓度为100g/L，所述喷雾量为1mL/cm2，恒温静置的温度40℃；
步骤4，将复合合金层放入反应釜中静置1h，然后取出并热等静压烧结处理1h，得到预制材料，所述反应釜内的氛围为氮气与水蒸汽氛围，且氮气与水蒸气的体积比为20:1，静置的温度为50℃，所述热等静压烧结的温度为1000℃；
步骤5，将三氯硅烷加入并通入放置预制材料的反应釜内静置1h，然后取出并放置在反应釜内反应1h，经高温烧结后得到含有耐磨涂层的金属基材；所述三氯硅烷的通入速度为3mL/min，通入时间为5min，所述静置的温度从50℃下降至20℃；所述反应釜内的氛围中含有2％的水蒸气，高温烧结的温度为500℃。
所述表面处理包括如下步骤：a1，将金属基材放入乙醇水溶液中微波处理20min，所述乙醇水溶液中的乙醇体积占比为50％，微波处理的温度为30℃，微波功率为200W；a2，将上述金属基材放入乙醇乙醚液中低温微波反应30min，得到洁净的金属基材；所述乙醚乙醇液中的乙醚与乙醇的体积比为1:1，低温微波反应的温度为10℃，微波功率为100W；a3，将上述金属基材进行表面磨砂，形成表面粗糙的金属基材。
以不锈钢为金属基材，以TC4为钛合金，经检测，该金属基材的孔隙率为3.8％，相较于普通钛合金，本涂层的硬度提升了30％，达到4550MPa(布氏显微硬度)。
实施例2
一种含有耐磨涂层的金属基材的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金属基材进行表面处理，形成表面粗糙的金属基材；
步骤2，将纳米钛合金粉放入乙醚中搅拌形成浆料，然后喷雾至金属基材表面液膜，反复多次后恒温压实，得到合金层，所述合金层的厚度为0.8mm；所述纳米钛合金粉在乙醚中的浓度为300g/L，所述喷雾量为0.4mL/cm2，恒温压实的压力为0.4MPa，温度为80℃；
步骤3，将钛酸正丁酯和异丙醇铝加入至乙醚中搅拌均匀形成混合液，然后喷雾至合金层，恒温静置20min，反复多次，得到复合合金层；所述钛酸正丁酯与异丙醇铝的摩尔比为1:3，且钛酸正丁酯在乙醚中的浓度为200g/L，所述喷雾量为3mL/cm2，恒温静置的温度50℃；
步骤4，将复合合金层放入反应釜中静置2h，然后取出并热等静压烧结处理2h，得到预制材料，所述反应釜内的氛围为氮气与水蒸汽氛围，且氮气与水蒸气的体积比为30:1，静置的温度为70℃，所述热等静压烧结的温度为1100℃；
步骤5，将三氯硅烷加入并通入放置预制材料的反应釜内静置2h，然后取出并放置在反应釜内反应2h，经高温烧结后得到含有耐磨涂层的金属基材；所述三氯硅烷的通入速度为5mL/min，通入时间为8min，所述静置的温度从50℃下降至20℃；所述反应釜内的氛围中含有2％的水蒸气，高温烧结的温度为700℃。
所述表面处理包括如下步骤：a1，将金属基材放入乙醇水溶液中微波处理50min，所述乙醇水溶液中的乙醇体积占比为60％，微波处理的温度为50℃，微波功率为500W；a2，将上述金属基材放入乙醇乙醚液中低温微波反应50min，得到洁净的金属基材；所述乙醚乙醇液中的乙醚与乙醇的体积比为1:2，低温微波反应的温度为15℃，微波功率为200W；a3，将上述金属基材进行表面磨砂，形成表面粗糙的金属基材。
以不锈钢为金属基材，以TC4为钛合金，经检测，该金属基材的孔隙率为3.3％，相较于普通钛合金，本涂层的硬度提升了43％，达到5000MPa(布氏显微硬度)。
实施例3
一种含有耐磨涂层的金属基材的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金属基材进行表面处理，形成表面粗糙的金属基材；
步骤2，将纳米钛合金粉放入乙醚中搅拌形成浆料，然后喷雾至金属基材表面液膜，反复多次后恒温压实，得到合金层，所述合金层的厚度为0.7mm；所述纳米钛合金粉在乙醚中的浓度为200g/L，所述喷雾量为0.3mL/cm2，恒温压实的压力为0.3MPa，温度为70℃；
步骤3，将钛酸正丁酯和异丙醇铝加入至乙醚中搅拌均匀形成混合液，然后喷雾至合金层，恒温静置15min，反复多次，得到复合合金层；所述钛酸正丁酯与异丙醇铝的摩尔比为1:3，且钛酸正丁酯在乙醚中的浓度为150g/L，所述喷雾量为2mL/cm2，恒温静置的温度45℃；
步骤4，将复合合金层放入反应釜中静置2h，然后取出并热等静压烧结处理1h，得到预制材料，所述反应釜内的氛围为氮气与水蒸汽氛围，且氮气与水蒸气的体积比为25:1，静置的温度为60℃，所述热等静压烧结的温度为1050℃；
步骤5，将三氯硅烷加入并通入放置预制材料的反应釜内静置2h，然后取出并放置在反应釜内反应2h，经高温烧结后得到含有耐磨涂层的金属基材；所述三氯硅烷的通入速度为4mL/min，通入时间为7min，所述静置的温度从50℃下降至20℃；所述反应釜内的氛围中含有2％的水蒸气，高温烧结的温度为500-700℃。
所述表面处理包括如下步骤：a1，将金属基材放入乙醇水溶液中微波处理30min，所述乙醇水溶液中的乙醇体积占比为55％，微波处理的温度为40℃，微波功率为400W；a2，将上述金属基材放入乙醇乙醚液中低温微波反应30-50min，得到洁净的金属基材；所述乙醚乙醇液中的乙醚与乙醇的体积比为1:2，低温微波反应的温度为12℃，微波功率为150W；a3，将上述金属基材进行表面磨砂，形成表面粗糙的金属基材。
以不锈钢为金属基材，以TC4为钛合金，经检测，该金属基材的孔隙率为3.5％，相较于普通钛合金，本涂层的硬度提升了37％，达到4795MPa(布氏显微硬度)。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含有耐磨涂层的金属基材，其特征在于：以钛氧和铝氧为掺杂剂，钛合金粉为主耐磨剂，以硅氧结构为缝隙填补剂。
2.根据权利要求1所述的含有耐磨涂层的金属基材，其特征在于：所述金属基材的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将金属基材进行表面处理，形成表面粗糙的金属基材；
步骤2，将纳米钛合金粉放入乙醚中搅拌形成浆料，然后喷雾至金属基材表面液膜，反复多次后恒温压实，得到合金层；
步骤3，将钛酸正丁酯和异丙醇铝加入至乙醚中搅拌均匀形成混合液，然后喷雾至合金层，恒温静置10-20min，反复多次，得到复合合金层；
步骤4，将复合合金层放入反应釜中静置1-2h，然后取出并热等静压烧结处理1-2h，得到预制材料；
步骤5，将三氯硅烷加入并通入放置预制材料的反应釜内静置1-2h，然后取出并放置在反应釜内反应1-2h，经高温烧结后得到含有耐磨涂层的金属基材。
3.根据权利要求2所述的含有耐磨涂层的金属基材，其特征在于：所述步骤1中，表面处理包括如下步骤：a1，将金属基材放入乙醇水溶液中微波处理20-50min，所述乙醇水溶液中的乙醇体积占比为50-60％，微波处理的温度为30-50℃，微波功率为200-500W；a2，将上述金属基材放入乙醇乙醚液中低温微波反应30-50min，得到洁净的金属基材；所述乙醚乙醇液中的乙醚与乙醇的体积比为1:1-2，低温微波反应的温度为10-15℃，微波功率为100-200W；a3，将上述金属基材进行表面磨砂，形成表面粗糙的金属基材。
4.根据权利要求2所述的含有耐磨涂层的金属基材，其特征在于：所述步骤2中，合金层的厚度为0.5-0.8mm；所述纳米钛合金粉在乙醚中的浓度为100-300g/L，所述喷雾量为0.2-0.4mL/cm2，恒温压实的压力为0.2-0.4MPa，温度为50-80℃。
5.根据权利要求2所述的含有耐磨涂层的金属基材，其特征在于：所述步骤3中，所述钛酸正丁酯与异丙醇铝的摩尔比为1:3，且钛酸正丁酯在乙醚中的浓度为100-200g/L，所述喷雾量为1-3mL/cm2，恒温静置的温度40-50℃。
6.根据权利要求2所述的含有耐磨涂层的金属基材，其特征在于：所述步骤4中，反应釜内的氛围为氮气与水蒸汽氛围，且氮气与水蒸气的体积比为20-30:1，静置的温度为50-70℃，所述热等静压烧结的温度为1000-1100℃。
7.根据权利要求2所述的含有耐磨涂层的金属基材，其特征在于：所述步骤5中，三氯硅烷的通入速度为3-5mL/min，通入时间为5-8min，所述静置的温度从50℃下降至20℃；所述反应釜内的氛围中含有2％的水蒸气，高温烧结的温度为500-700℃。
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