CN115478242A - 一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法 - Google Patents
一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115478242A CN115478242A CN202211128758.4A CN202211128758A CN115478242A CN 115478242 A CN115478242 A CN 115478242A CN 202211128758 A CN202211128758 A CN 202211128758A CN 115478242 A CN115478242 A CN 115478242A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hardness
- bump
- powder
- micro
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 76
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 72
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 title claims abstract description 49
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 70
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 34
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 claims description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 7
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 5
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910009043 WC-Co Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 claims description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 claims description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 235000021355 Stearic acid Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 claims description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 2
- XPBBUZJBQWWFFJ-UHFFFAOYSA-N fluorosilane Chemical compound [SiH3]F XPBBUZJBQWWFFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 2
- QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Natural products CCCCCCCC(C)CCCCCCCCC(O)=O OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000008117 stearic acid Substances 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 20
- 238000010288 cold spraying Methods 0.000 abstract description 9
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 7
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 5
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 3
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 3
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 2
- 238000005536 corrosion prevention Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007227 biological adhesion Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- QFXZANXYUCUTQH-UHFFFAOYSA-N ethynol Chemical group OC#C QFXZANXYUCUTQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
- C23C4/129—Flame spraying
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/06—Metallic material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
- C23C4/134—Plasma spraying
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法,属于涂层的制备和应用技术领域,该超疏水涂层表面分布有少量的高硬度凸点结构和大面积的具有微纳尺度的粗糙结构,其中,高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率为8%~35%,具有微纳尺度的粗糙结构在工件表面的覆盖率为70%~92%。本发明高硬度凸点结构和具有微纳尺度的粗糙结构层的原材料选择灵活,因此可以根据实际服役环境的需要选择合适的材料;采用冷喷涂与热喷涂的方法制备超疏水涂层,涂层与基体的结合力更强,不用担心涂层剥落的情况发生;采用喷涂法(冷喷涂和热喷涂均可)制备超疏水涂层,几乎适用于所有材质的基材,对基材表面质量要求低。
Description
技术领域
本发明属于涂层的制备和应用技术领域,具体涉及一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法。
背景技术
人工超疏水涂层在防腐、防覆冰、自清洁、减阻、油水分离等诸多领域具有广阔应用前景。受荷叶效应的启发,人们通过对植物叶子表面超疏水性的系统研究,发现表面既有微纳尺度的粗糙结构,又被低表面能物质覆盖是具备超疏水性能的必要充分条件。目前的研究表明,这种超疏水表面不仅具有自清洁功能,还具有防腐及防止生物附着、防覆冰、防雾及防霜冻等特殊功能,因此在海洋舰船及海洋平台表面防护、电力输送户外设备及线路,建筑等领域具有广阔的应用前景。
然而,超疏水涂层的实际应用主要受制于两个因素。第一,超疏水涂层的抗机械损伤能力尤其是耐磨性能较差,人工超疏水表面所需的微纳尺度粗糙结构在受到服役环境中的外来物体接触、碰撞、弯曲、特别是摩擦作用时,自身结构的损坏会导致超疏水特性的下降甚至消失。第二,现有的超疏水涂层制备的工艺方法中,气相沉积、电镀、化学镀、自组装等为代表的自下而上的制备工艺需要昂贵而复杂的精密设备,成本较高,制备周期较长,部分工艺中溶液(金属离子)的使用增加了环境污染的风险。并且绝大多数的工艺方法均要在溶液、真空条件下实现微纳尺度粗糙结构的制备,难以大面积制备,不具备应用前景,使得人工超疏水表面目前还难以走出实验室,实现大规模的成功应用。因此,基于开发出既能提高超疏水表面微纳尺度粗糙结构的抗机械损伤性能,又能大面积绿色制备的超疏水涂层工艺需求,雒晓涛等人提出一种采用冷喷涂技术在材料表面制备具有柔性结构的金属微纳尺寸结构的工艺,利用外部物体碰触或摩擦表面时,柔性结构的可变形性可保证微纳尺寸粗糙结构的完整性,该方法制得的涂层与常规人工超疏水涂层相比,具有柔性结构超疏水涂层的耐磨性能显著提升,但是该方法制备得到的涂层在摩擦磨损等测试中依然难以满足工业应用需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种基于表面高硬度(硬度≥650HV)凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法,能够有效解决现有技术的超疏水涂层耐磨性能差的技术问题。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
本发明公开了一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层,该超疏水涂层表面分布有少量的高硬度凸点结构和大面积的具有微纳尺度的粗糙结构,其中,高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率为8%~35%,具有微纳尺度的粗糙结构在工件表面的覆盖率为70%~92%,二者覆盖率之和为100%。
本发明还公开了上述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,包括以下步骤:
1)采用喷涂法在待制备涂层的金属工件表面制备弥散分布的高硬度凸点结构;
2)在经步骤1)处理后的工件表面采用喷涂法制备具有微纳尺度的粗糙结构;
3)对步骤2)得到的涂层表面进行低表面能物质修饰,即在工件表面制备得到基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层。
优选地,高硬度凸点结构的高度在30~800μm之间,具有微纳尺度的粗糙结构的厚度在5~50μm之间,高硬度凸点结构的高度为具有微纳尺度的粗糙结构厚度的1.5倍以上。
优选地,高硬度凸点结构的水平尺寸介于50~300μm之间,高硬度凸点结构之间的间距为直径的2~10倍之间。
优选地,制备高硬度凸点结构采用的原料为氧化铝陶瓷粉末、氧化铝钛陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末、WC-Co系陶瓷粉末或NiCr-CrC系陶瓷粉末,选用原料的维氏硬度值≥650HV,粉末的粒径介于50-300μm之间。
优选地,制备具有微纳尺度的粗糙结构采用的原料为氧化铝陶瓷粉末、氧化铝钛陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末、WC-Co系陶瓷粉末、NiCr-CrC系陶瓷粉末,且上述陶瓷粉末均经过团聚及烧结处理;团聚是指将纳米或亚微米级原始粉末微粒通过胶黏剂进行黏结,形成数微米到数十微米尺度的大尺寸颗粒。进一步通过烧结可去除胶黏剂,同时通过扩散烧结作用使原始纳米或亚微米级微粒实现化学结合,但整个大尺寸颗粒的外表仍然能看出原始纳米或亚微米尺寸轮廓。即得到宏观为数十到百微米量级的颗粒,颗粒表面有纳米尺寸粗糙结构。
或者,选择以纳米或亚微米团聚烧结的金属钼粉末、金属钨粉末、金属钽粉末或者电解方法制备的金属镍粉末;
其中,所选原料的粉末粒径介于5~50μm之间。
优选地,步骤1)中,制备高硬度凸点结构的喷涂方法有火焰喷涂、等离子喷涂;所喷涂的陶瓷粉末或金属陶瓷粉末处于表层熔化、内部不熔化的状态,使得陶瓷粉末或金属陶瓷粉末在工件表面撞击、凝固后形成高度满足要求的高硬度凸点结构,高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率通过粉末输送速率和喷枪扫描速度调控;
所述陶瓷粉末或金属陶瓷粉末为多角形形貌,使得喷涂过程中粉末在固态高速碰撞时嵌入工件的金属基材表面,形成高度满足要求的高硬度凸点结构。
优选地,步骤2)中,制备具有微纳尺度的粗糙结构的喷涂方法有火焰喷涂、超音速火焰喷涂,所喷涂的团聚后陶瓷粉末或金属陶瓷粉末处于表层微熔化状态,使得团聚粉末内部的原始微纳尺寸结构得以保留,在工件表层形成具有微纳尺度的粗糙结构。
优选地,步骤3)所述的低表面能物质修饰是采用聚氨酯、氟硅烷或硬脂酸对涂层表面进行修饰。
优选地,在步骤1)喷涂之前,还包括对待制备涂层的金属工件表面进行清洗与除油处理的操作。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明公开的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层,主要由两部分构成,一部分是离散分布(少量)的高硬度凸点结构,另一部分是大面积涂覆地具有微纳尺度地粗糙结构层。具有微纳尺度的粗糙结构使得金属工件的表面具有疏水性能,当外部物体摩擦涂层表面时(如受到服役环境中的外来物体接触、碰撞、弯曲及摩擦),高硬度凸点结构则能起到保护微纳尺度的粗糙结构不被破坏的作用,使得涂层疏水性能不因磨损而退化,因此表面超疏水性得以保留,从而有效解决了现有技术的超疏水涂层耐磨性能差的技术问题。
本发明还公开了上述基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的制备方法,优点体现在:1)高硬度凸点结构和具有微纳尺度的粗糙结构层的原材料选择灵活,因此可以根据实际服役环境的需要选择合适的材料;2)采用冷喷涂与热喷涂的方法制备超疏水涂层,涂层与基体的结合力更强,不用担心涂层剥落的情况发生;3)采用喷涂法(冷喷涂和热喷涂均可)制备超疏水涂层,几乎适用于所有材质的基材,对基材表面质量要求低。
附图说明
图1为高耐磨金属陶瓷颗粒表面形貌;
图2为具有微纳双尺度粗糙结构的金属粉末表面形貌;
图3为高硬度硬质合金凸点强化超疏水涂层原理示意图;
图4为经冷喷涂制备的超疏水涂层表面形貌;
图5为经过摩擦磨损实验之后的涂层表面形貌。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
实施例1:以烧结破碎法制备的具有多角形特征、粒径介于80~200μm之间的WC10Co4Cr金属陶瓷粉末,如图1所示。以及具有微纳尺度粗糙结构的粒径介于5~50μm之间的纳米粉体烧结团聚的W粉为喷涂粉末如图2所示。以铝合金作为基材,表面无需喷砂。首先对铝合金基材表面进行清洗,除去表面杂质油污等。之后在气体压力为4.5MPa,气体温度为600℃,喷枪扫描速度为800mm/s,送粉速率为0.5r/s,喷枪距离为30mm的条件下对铝合金基材表面冷喷涂制备WC10Co4Cr涂层,与冷喷涂制备连续涂层相比,在较低的送粉速率和较高的喷枪扫描速度下,扫描电镜表征结果表明:WC10Co4Cr高硬度凸点在基材表面覆盖率为15%,平均间距约为0.45mm,约为凸点直径的2~5倍。激光共聚焦显微镜表征结果表明:WC10Co4Cr高硬度凸点的高度约为60~160μm之间。其次以气体压力为3.5Mpa,气体温度500℃,喷枪扫描速度800mm/s,喷枪距离30mm,送粉速率1.5r/s条件下冷喷涂制备W层,由于烧结团聚粉末的表面呈现为纳米尺度W粉单元,且烧结粉末自身为微米尺度,因此扫描电镜表征结果显示该层具有微纳双尺度结构且覆盖除硬质凸点的其他所有区域。图3概念性的表示了该种结构。最后,采用聚氨酯有机溶液喷雾的方式对涂层进行低表面能物质修饰。待有机溶剂在室温下2h挥发完后,涂层即具有疏水性能。接触角测试结果显示涂层的疏水角为157°,滚动角仅为1°。在400g的作用载荷下,于400#的碳化硅砂纸上直线移动220mm然后回到原位置为一个工作周期(涂层面积为25cm2),以每五次磨损循环为步长测量滚动角和静态接触角,在300周次摩擦循环之后,测量静态接触角能否保持在150°以上且滚动角不大于2°(依然具有超疏水性)。采用中性盐雾腐蚀对该涂层的耐腐蚀性能进行测试,由于超疏水特性以及涂层材质均为耐腐蚀材料,500h盐雾腐蚀后,涂层依然完整,表面未出现鼓包,开裂或者剥落现象。
实施例2:以粒径介于150~300μm之间的氧化铝粉末和具有微纳尺度粗糙结构的粒径介于15~45μm之间的纳米团聚氧化铝粉末为喷涂原料,以45#碳钢为基材,表面无需喷砂。首先对碳钢基材表面进行清洗,除去表面杂质油污等。首先,以粒径介于150~300μm之间的氧化铝粉末为喷涂原料,采用等离子喷涂方法,在喷涂功率为30kW,喷嘴直径为10mm,Ar流量为40SLM,H2流量为5SLM的条件下,使得上述大粒径氧化铝粉末处于半熔化状态,在表面沉积时获得高硬度凸点。通过控制送粉速率为0.5rpm,喷枪扫描速度为800mm/s,喷枪距离为80mm的条件下在碳钢基材表面制备弥散分布的氧化铝凸点,扫描电镜表征结果表明:氧化铝高硬度凸点在基材表面覆盖率为13%,平均间距约为0.52mm,约为凸点直径的3-7倍。激光共聚焦显微镜表征结果表明:氧化铝高硬度凸点的高度约为105-220μm之间,略小于原始粉末直径。其次,以粒径介于15~45μm之间的纳米团聚氧化铝粉末为喷涂原料,选用氧乙炔火焰喷涂技术,在氧气流量为7SLM,乙炔流量为20SLM的参数条件下,使得该粉末处于半熔化状态,在喷枪扫描速度为300mm/s,喷枪距离100mm,送粉速率1.0rpm条件下制备具有微纳尺度的氧化铝层,由于半熔化团聚氧化铝粉末的表面呈现为纳米尺度氧化铝纳米单元,且半熔化粉末颗粒自身为微米尺度,因此扫描电镜表征结果显示该层具有微纳双尺度结构且覆盖包括硬质凸点的所有区域,如图4所示最后,采用聚氨酯有机溶液喷雾的方式对涂层进行低表面能物质修饰,待有机溶剂在室温下2h挥发完后,涂层即具有疏水性能,由于所有面积均被微纳尺度粗糙结构覆盖,因此接触角测试结果显示涂层的疏水角为164°,滚动角仅为1°。在400g的作用载荷下,于400#的碳化硅砂纸上直线移动220mm然后回到原位置为一个工作周期(涂层面积为25cm2),以每五次磨损循环为步长测量滚动角和静态接触角,在500周次摩擦循环之后,测量静态接触角能否保持在152°以上且滚动角不大于2°,依然具有超疏水性。图5为经过摩擦磨损实验之后的扫描电镜对试样表面的表征结果。在圆片试样的所有面均制备涂层,采用3.5wt.%NaCl水溶液腐蚀浸泡试验在室温下对该涂层的耐腐蚀性能进行测试,由于超疏水特性以及涂层材质均为耐腐蚀材料,3个月后,涂层表面无锈点,涂层未出现鼓包、开裂或者剥落等现象。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层,其特征在于,该超疏水涂层表面分布有少量的高硬度凸点结构和大面积的具有微纳尺度的粗糙结构,其中,高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率为8%~35%,具有微纳尺度的粗糙结构在工件表面的覆盖率为70%~92%,二者覆盖率之和为100%。
2.权利要求1所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)采用喷涂法在待制备涂层的金属工件表面制备弥散分布的高硬度凸点结构;
2)在经步骤1)处理后的工件表面采用喷涂法制备具有微纳尺度的粗糙结构;
3)对步骤2)得到的涂层表面进行低表面能物质修饰,即在工件表面制备得到基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层。
3.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,高硬度凸点结构的高度在30~800μm之间,具有微纳尺度的粗糙结构的厚度在5~50μm之间,高硬度凸点结构的高度为具有微纳尺度的粗糙结构厚度的1.5倍以上。
4.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,高硬度凸点结构的水平尺寸介于50~300μm之间,高硬度凸点结构之间的间距为直径的2~10倍之间。
5.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,制备高硬度凸点结构采用的原料为氧化铝陶瓷粉末、氧化铝钛陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末、WC-Co系陶瓷粉末或NiCr-CrC系陶瓷粉末,选用原料的维氏硬度值≥650HV,粉末的粒径介于50-300μm之间。
6.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,制备具有微纳尺度的粗糙结构采用的原料为氧化铝陶瓷粉末、氧化铝钛陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末、WC-Co系陶瓷粉末、NiCr-CrC系陶瓷粉末,且上述陶瓷粉末均经过团聚及烧结处理;
或者,选择以纳米或亚微米团聚烧结的金属钼粉末、金属钨粉末、金属钽粉末或者电解方法制备的金属镍粉末;
其中,所选原料的粉末粒径介于5~50μm之间。
7.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,步骤1)中,制备高硬度凸点结构的喷涂方法有火焰喷涂、等离子喷涂;所喷涂的陶瓷粉末或金属陶瓷粉末处于表层熔化、内部不熔化的状态,使得陶瓷粉末或金属陶瓷粉末在工件表面撞击、凝固后形成高度满足要求的高硬度凸点结构,高硬度凸点结构在工件表面的覆盖率通过粉末输送速率和喷枪扫描速度调控;
所述陶瓷粉末或金属陶瓷粉末为多角形形貌,使得喷涂过程中粉末在固态高速碰撞时嵌入工件的金属基材表面,形成高度满足要求的高硬度凸点结构。
8.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,步骤2)中,制备具有微纳尺度的粗糙结构的喷涂方法有火焰喷涂、超音速火焰喷涂,所喷涂的团聚后陶瓷粉末或金属陶瓷粉末处于表层微熔化状态,使得团聚粉末内部的原始微纳尺寸结构得以保留,在工件表层形成具有微纳尺度的粗糙结构。
9.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,步骤3)所述的低表面能物质修饰是采用聚氨酯、氟硅烷或硬脂酸对涂层表面进行修饰。
10.根据权利要求2所述的基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层的大面积制备方法,其特征在于,在步骤1)喷涂之前,还包括对待制备涂层的金属工件表面进行清洗与除油处理的操作。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211128758.4A CN115478242B (zh) | 2022-09-16 | 2022-09-16 | 一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211128758.4A CN115478242B (zh) | 2022-09-16 | 2022-09-16 | 一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115478242A true CN115478242A (zh) | 2022-12-16 |
CN115478242B CN115478242B (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=84423741
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202211128758.4A Active CN115478242B (zh) | 2022-09-16 | 2022-09-16 | 一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115478242B (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117904572A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-04-19 | 东北大学 | 一种车削处理提高疏水涂层耐磨性的方法 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102102168A (zh) * | 2011-03-30 | 2011-06-22 | 北京矿冶研究总院 | 一种利用热喷涂技术制备憎水涂层的方法 |
US20140343687A1 (en) * | 2011-12-16 | 2014-11-20 | Herbert JENNISSEN | Substrate with a Structured Surface and Methods for the Production Thereof, and Methods for Determining the Wetting Properties Thereof |
CN105316619A (zh) * | 2015-10-29 | 2016-02-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法及其产品 |
US20160096972A1 (en) * | 2014-10-07 | 2016-04-07 | The Boeing Company | Thermal Spray for Durable and Large-Area Hydrophobic and Superhydrophobic/Icephobic Coatings |
CN108329771A (zh) * | 2018-01-31 | 2018-07-27 | 广东省新材料研究所 | 一种高疏水性复合涂层及其制备方法与应用、疏水性制品 |
CN108468013A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-08-31 | 东莞市华鑫激光科技有限公司 | 一种耐磨疏水涂层的制备方法 |
CN110434040A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-12 | 西安交通大学 | 一种具有仿生结构的高机械耐久性超疏水/油涂层及其制备方法 |
CN112080716A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-15 | 昆明理工大学 | 一种疏水的抗腐蚀涂层材料及其制备方法 |
CN114561611A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-05-31 | 西安交通大学 | 一种具有仿荷叶超疏水金属表面的涂层材料及其热喷涂制备方法 |
-
2022
- 2022-09-16 CN CN202211128758.4A patent/CN115478242B/zh active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102102168A (zh) * | 2011-03-30 | 2011-06-22 | 北京矿冶研究总院 | 一种利用热喷涂技术制备憎水涂层的方法 |
US20140343687A1 (en) * | 2011-12-16 | 2014-11-20 | Herbert JENNISSEN | Substrate with a Structured Surface and Methods for the Production Thereof, and Methods for Determining the Wetting Properties Thereof |
US20160096972A1 (en) * | 2014-10-07 | 2016-04-07 | The Boeing Company | Thermal Spray for Durable and Large-Area Hydrophobic and Superhydrophobic/Icephobic Coatings |
CN105316619A (zh) * | 2015-10-29 | 2016-02-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法及其产品 |
CN108329771A (zh) * | 2018-01-31 | 2018-07-27 | 广东省新材料研究所 | 一种高疏水性复合涂层及其制备方法与应用、疏水性制品 |
CN108468013A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-08-31 | 东莞市华鑫激光科技有限公司 | 一种耐磨疏水涂层的制备方法 |
CN110434040A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-12 | 西安交通大学 | 一种具有仿生结构的高机械耐久性超疏水/油涂层及其制备方法 |
CN112080716A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-15 | 昆明理工大学 | 一种疏水的抗腐蚀涂层材料及其制备方法 |
CN114561611A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-05-31 | 西安交通大学 | 一种具有仿荷叶超疏水金属表面的涂层材料及其热喷涂制备方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117904572A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-04-19 | 东北大学 | 一种车削处理提高疏水涂层耐磨性的方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115478242B (zh) | 2024-02-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TP et al. | Optimal condition for fabricating mechanically durable superhydrophobic titanium surface by rapid breakdown anodization: Self cleaning and bouncing characteristics | |
CN105316619B (zh) | 一种利用热喷涂技术制备耐磨超疏水陶瓷涂层的方法及其产品 | |
CN104894554B (zh) | 一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用 | |
Dosta et al. | Cold spray deposition of a WC-25Co cermet onto Al7075-T6 and carbon steel substrates | |
Zhao et al. | Corrosion mechanism of NiCrBSi coatings deposited by HVOF | |
Serres et al. | An investigation of the mechanical properties and wear resistance of NiCrBSi coatings carried out by in situ laser remelting | |
CN107761035A (zh) | 一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层及其制备方法 | |
CN106191621B (zh) | 水泥回转窑托轮表面用高熵合金粉体、制备及其涂层制备 | |
Yeom et al. | Improving deposition efficiency in cold spraying chromium coatings by powder annealing | |
CN112708883B (zh) | 超硬碳化硼陶瓷增强铁基合金复合耐磨涂层的制备方法 | |
CN106756712B (zh) | 一种金属耐磨防腐涂层及其电弧喷涂工艺 | |
CN107937856B (zh) | 一种耐磨疏水涂层的制备方法 | |
CN107164716B (zh) | 一种粉芯丝材及制备高速电弧喷涂层的方法 | |
CN106835112A (zh) | 一种镁合金表面冷喷涂420不锈钢复合涂层的制备方法 | |
CN106435563A (zh) | 一种轴瓦钢背喷涂巴氏合金涂层的方法 | |
CN107653431B (zh) | 一种TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法 | |
Li et al. | Effect of spray powder particle size on the bionic hydrophobic structures and corrosion performance of Fe-based amorphous metallic coatings | |
WO2023123858A1 (zh) | Q235钢表面耐磨疏水涂层及其制备方法 | |
Kumar et al. | Influence of coating defects on the corrosion behavior of cold sprayed refractory metals | |
CN109735785A (zh) | 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 | |
CN105386040B (zh) | 一种在钛合金表面制备wc/石墨复合涂层的方法 | |
Komarov et al. | Wetting behavior of wear-resistant WC-Co-Cr cermet coatings produced by HVOF: The role of chemical composition and surface roughness | |
CN115478242B (zh) | 一种基于表面高硬度凸点强化的高耐磨超疏水涂层及其大面积制备方法 | |
Zhixiang et al. | Study on the corrosion electrochemistry behavior and wear resistance of the arc thermal sprayed Zn–Al alloy coating | |
Luo et al. | Fabrication of a micro-nano structure on steel surface and surface wetting |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |