CN117702043A - 一种超音速电弧喷涂层压结构耐磨蚀陶瓷涂层的制备方法和应用 - Google Patents
一种超音速电弧喷涂层压结构耐磨蚀陶瓷涂层的制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于耐磨蚀涂层技术领域，公开了一种超音速电弧喷涂技术制备Cu‑TiN/TiO2层压结构复合陶瓷涂层的方法与应用。本发明通过喷涂异质丝材之间不同的直径比，可以调控涂层中各相的占比，可实现Ti的氮氧化物及Cu单质在涂层内部的均与分布，其特有的Cu‑TiN/TiO2‑Cu层压式结构，可以使涂层达到不同的硬韧匹配度，从而提高涂层的不同服役环境下耐磨蚀性能。涂层的制备方法简单，施工及加工环境无苛刻要求，制备效率高。该涂层可用于海洋环境下服役工程装备及临海磨损工况较为剧烈等领域各类工件和工程结构的表面防护。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂制备耐磨涂层技术领域，特别涉及一种超音速电弧喷涂技术制备Cu-TiN/TiO2层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的制备方法和应用。
背景技术
临海或海洋环境下服役的工程装备会面临着多种材料失效机制的共同作用。其中包括海水中侵蚀性离子的腐蚀、海水及其夹杂物的冲蚀磨损和工程装备之间的接触磨损等。这些因素的强耦合往往会导致材料力学性能的恶化，加快工程装备的老化和失效，降低其使用稳定性和服役的年限。而表面涂层可以提高材料的性能及耐久性，有效的减缓基体材料受到外界环境的腐蚀、磨损等破坏，广泛的应用于工业、航空和海洋领域。Ti的氮化物和氧化物涂层由于其优异的耐磨、耐侵蚀、耐腐蚀性以及和基体材料良好的结合能力，成为表面防护涂层的热门之选。Cu及Cu合金具有良好的机械性能、抗海水腐蚀、抗冲刷腐蚀和优异的耐海洋生物污损等特点。硬度和弹性模量较低的Cu相与硬质陶瓷相之间可构成合适的硬韧匹配度，从而提高涂层的耐磨性能。故制备一种具有层压结构耐磨蚀功能的复合涂层对保护海洋环境下服役的工程装备具有重大应用价值。
超音速电弧喷涂已被公认为是较为实用、有效的现场修复解决方案之一，该工艺也是较便宜的热喷涂工艺，喷涂涂层内部能够产生致密和超细晶粒结构的涂层，且电弧喷涂的原材料设计灵活，可以为不同尺寸的金属丝材、陶瓷混合材料的粉芯丝材，喷涂过程不受场地和加工件尺寸的限制。喷涂过程中，互相绝缘的丝材在高温电弧区域瞬间融化后，高压气体将其雾化成为高速飞行的熔滴，雾化熔滴撞击基体堆叠形成涂层。电弧喷涂制备金属-陶瓷复合涂层原料一般为合金金属丝材或混合不同比例内芯材料的粉芯丝材。但合金丝材制备工艺繁琐、成分可设计性低、制作成本较高，对大规模复合陶瓷涂层的制备有一定的限制。而粉芯丝材中包覆的金属或陶瓷颗粒的熔点、粒径、分散性、氧化特性等会极大影响涂层的性能。粉末颗粒在喷涂中融化及雾化效果不好、熔滴在基体没有完全分散等都会导致涂层的缺陷过多，从而影响涂层的综合性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层。该涂层选用市面上易购买的不同直径的纯Ti丝材和纯Cu丝材作为原料。采用超音速电弧喷涂技术，通过调控同轴送丝轮中异质金属丝材的直径和喷涂过程中的参数，在常用的结构钢和铝合金等工程装备和材料制品表面制备不同Cu含量的Cu-TiN/TiO2层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层。
本发明另一目的在于提供上述层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层，其由不同直径的纯Ti丝和纯Cu丝通过超音速电弧喷涂制得，所述的涂层为Cu-TiN/TiO2层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层。
优选的，所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层中铜元素主要以单质铜的形式存在，同时会有极少量的氧化亚铜，Cu元素没有生成影响其耐腐蚀性能的杂质相。钛元素主要以钛的氮化物和钛的氧化物为主，Ti元素也没有生成影响其硬度和耐磨性能的中间相。其中，随着喷涂过程中纯Cu丝和纯Ti丝的直径差异，复合涂层中各相的比例会发生变化。
优选的，所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的主要成分为Cu、TiN、TiO2、TiN0.3和Cu2O。
优选的，所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层中Cu单质的含量为8.3％-66.6％，更优选为8.3％-35.8％。
所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层厚度为200-1000μm。
所述的Ti丝材和Cu丝材纯度优选为≥99.9％。
所述的Ti丝直径为0.5-2.0mm，优选为1.5mm。
所述的Cu丝直径为0.2-2.0mm。
所述的Ti丝和Cu丝的长度≥2000mm。
一种上述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：将不同直径配比的纯Ti丝和纯Cu丝通过同轴滚轮送丝装置固定，在控制面版设置好喷涂参数后进行喷涂，得到复合陶瓷涂层。
本发明通过调控超音速同步送丝电弧喷涂过程中两根异质金属丝材的直径比，依靠不同直径异质金属丝材在电弧尖端融化、雾化、飞行过程中的相互反应来获得相应成分的高性能复合陶瓷涂层。喷涂过程中丝材的稳定性、熔滴飞行的速度和氧化反应、熔滴间的伪合金反应、熔滴与基底之间的相互作用都需要通过调控喷涂参数来对其进行精确控制。该制备方法可以实现对涂层厚度和涂层中Cu和Ti的氮氧化物含量的精准调控，使复合涂层满足多工况下工程装备表面的防护需求。喷涂过程简单且施工适应性强，是一种较为高效、低成本的涂层制备方法。
目前海洋环境或临海环境下服役的大量装备，如轮船、海洋钻井平台、跨海桥梁、油气管道等，一般都采用铸铁、结构钢、铝合金等建造。特别是在要承受大载荷和动载荷的装备上，会大量使用强度较高的结构钢，如Q345、Q390、Q420、Q460、Q500等。故本发明喷涂时选用的基材为结构钢和铝合金中的至少一种，优选为Q345、Q390、Q420、Q460、Q500中的一种，更优选为Q345B结构钢。
所述的基材的尺寸优选为Ф25*9mm的小圆块；所述的基体在使用之前对表面做粗化处理，优选为表面喷砂粗化处理。
所述的超音速电弧喷涂工艺的参数为：电弧工作的电压为38-44V，电弧的工作电流40-120A，送丝速度为3m/min-10m/min，压缩空气压力0.8Mpa，喷涂距离为120mm。其中控制喷枪移动的伺服电机的速度为，在水平方向上为5-20mm/s。根据不同的送丝电压和送丝速度，单次最佳的喷涂时间为15-50S，优选为18-40s，可反复喷涂至涂层厚度为200-1000μm，但持续喷涂时间不宜过长，防止涂层出现较大热应力开裂。上述金属丝材在高温电弧区域融化，经高压气体加速后形成超音速雾化小熔滴，随后在基体上撞击、扩散、平铺、迅速凝固成结构致密、缺陷少、结合力强、硬度高，具有一定层压结构耐磨蚀特性的功能涂层。
上述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的应用。优选于海洋环境下服役工程装备及临海磨损工况较为剧烈等领域各类工件和工程结构的表面防护，例如船舶表面，海上作业平台，位于潮汐区冲刷的桥梁平台。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明利用超音速电弧喷涂技术，通过调控同轴送丝轮上不同直径的纯Ti丝和纯Cu丝，从而实现制备不同Cu含量的Cu-TiN/TiO2层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层。相比于其他热喷涂方式制备的Cu-Ti纯金属涂层或陶瓷复合涂层。本发明制备的不同含Cu量的金属-陶瓷复合涂层原料为纯金属丝材，喷涂在大气环境中进行。相比于用混合粉末做喷涂原料、喷涂气氛为保护性气体的其他制备方式。本发明拥有更低的制备成本，更简单的制备工艺和大型装备施工场地的适应性。
(2)精细调控喷涂的各相参数，纯Cu、Ti丝在高温电弧尖端区域迅速融化后，Cu和Ti的雾化熔滴之间、熔滴与周围空气之间发生剧烈反应。混合熔滴高速飞行一段距离后迅速在基体上沉积扩散，形成稳定牢固的Cu-TiN/TiO2层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层。相比于其他方式制备Cu-Ti复合陶瓷涂层，本发明制备的涂层能够实现成分、厚度和微观组织可调控性，涂层中Cu相和TiN/TiO2陶瓷相均匀分布。Cu元素的均匀分布可以与硬质相TiN/TiO2构成合理的硬韧匹配度，从而提高耐磨性能。Cu单质和Ti的氮氧化物具备较为稳定的化学性质和较高的耐腐蚀性，故Cu-TiN/TiO2复合涂层兼具较好的耐腐蚀性能。
(3)相比于单一组分的Cu-Ti复合涂层，本发明制备的涂层，各相成分设计灵活多变，可满足海洋环境工况下对复合涂层耐磨、耐腐蚀性能的不同使用需求。
附图说明
图1为涂层制备示意图。
图2为涂层的X射线衍射图谱。
图3为涂层光电子衍射图谱。
图4为涂层截面形貌及表面形貌。
图5为不同摩擦磨损环境下涂层磨损体积示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
使用平均粒度为2.0mm的棕刚玉沙对Q345B工件表面进行喷砂粗化处理，增加涂层和基体间的结合力。喷砂压力为0.7Mpa，喷砂角度为90°，喷砂距离为50mm，单个基体持续喷砂的时间为15s。选用纯度为99.9％，直径为0.4mm、长度为2000mm的纯Cu丝作为喷涂电源输出的自耗阳极。选用纯度为99.9％，直径为1.5mm、长度为2000mm的纯Ti丝作为喷涂电源输出的自耗阴极。喷涂前，用砂纸除去丝材表面附着物及氧化层后置于超声仪器中清洗干净。将金属丝材和尺寸为Ф25*9mm的Q345B基体材料固定在相对应的模具后，采用SX-1000超音速电弧喷涂设备制备出耐磨蚀的层压结构复合陶瓷涂层。喷涂工艺主要的参数为：电弧工作电压39±1V，电弧工作电流50±10A，压缩空气为0.8Mpa，喷涂距离为120mm，喷枪的水平移动速度为6mm/s，喷枪两端丝材的送丝速度为3m/min，喷涂过程无间隔，喷涂持续40s，喷枪在基体表面往复喷涂四次。
本实例制备的复合涂层厚度为250±30μm，涂层表面呈现TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)相互均匀扩散分布的特征，涂层截面表现出TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)典型的层压状结构。根据EDS分析结果，涂层中主要以Ti的氮氧化物为主，Cu含量为8.3％，属于低Cu含量复合陶瓷涂层。涂层表面和截面结构平整致密，孔隙率仅为0.87％。根据纳米压痕硬度测试，涂层的硬度为20.5±0.5Gpa，弹性模量为181±3Mpa，硬度比Q345B结构钢基体提高9倍。在法向载荷为5N、10N干摩擦条件下的磨损体积分别仅为Q345B基体的16.6％和11％，在10N法向载荷、3.5％NaCl腐蚀液环境下磨损体积仅为基底的22％。其中，10N干摩擦条件下的耐磨性能比基底材料提高900％以上。
实施例2
使用平均粒度为2.0mm的棕刚玉沙对Q345B工件表面进行喷砂粗化处理，增加涂层和基体间的结合力。喷砂压力为0.7Mpa，喷砂角度为85°，喷砂距离为60mm，单个基体持续喷砂的时间为15s。选用纯度为99.9％，直径为0.6mm、长度为2000mm的纯Cu丝作为喷涂电源输出的自耗阳极。选用纯度为99.9％，直径为1.5mm、长度为2000mm的纯Ti丝作为喷涂电源输出的自耗阴极。喷涂前，用砂纸除去丝材表面附着物及氧化层后置于超声仪器中清洗干净。将金属丝材和尺寸为Ф25*9mm的Q345B基体材料固定在相对应的模具后，采用SX-1000超音速电弧喷涂设备制备出耐磨蚀的层压结构复合陶瓷涂层。喷涂工艺主要的参数为：电弧工作电压40±1V，电弧工作电流60±10A，压缩空气为0.8Mpa，喷涂距离为120mm，喷枪的水平移动速度为8mm/s，喷枪两端丝材的送丝速度为5m/min，喷涂过程无间隔，喷涂持续30s，喷枪在基体表面往复喷涂4次。
本实例制备的复合涂层厚度为300±30μm，涂层表面呈现TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)相互均匀扩散分布的特征，涂层截面表现出更为明显的TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)典型的层压状结构。根据EDS分析结果，涂层中主要以Ti的氮氧化物为主，Cu含量为13.8％，属于Cu含量较低的复合陶瓷涂层。涂层表面和截面结构平整致密，孔隙率仅为0.79％。根据纳米压痕硬度测试，涂层的硬度为17.33±0.5Gpa，弹性模量为172±3Mpa，硬度比Q345B结构钢基体提高7倍。在法向载荷为5N、10N干磨条件下的磨损体积分别仅为Q345B基体的55％和16％，在10N法向载荷、3.5％NaCl腐蚀液环境下磨损体积仅为基底的52％。其中，10N干磨条件下的耐磨性能比基底材料提高600％以上。
实施例3
使用平均粒度为2.0mm的棕刚玉沙对Q345B工件表面进行喷砂粗化处理，增加涂层和基体间的结合力。喷砂压力为0.7Mpa，喷砂角度为80°，喷砂距离为65mm，单个基体持续喷砂的时间为20s。选用纯度为99.9％，直径为0.7mm、长度为2000mm的纯Cu丝作为喷涂电源输出的自耗阳极。选用纯度为99.9％，直径为1.5mm、长度为2000mm的纯Ti丝作为喷涂电源输出的自耗阴极。喷涂前，用砂纸除去丝材表面附着物及氧化层后置于超声仪器中清洗干净。将金属丝材和尺寸为Ф25*9mm的Q345B基体材料固定在相对应的模具后，采用SX-1000超音速电弧喷涂设备制备出耐磨蚀的层压结构复合陶瓷涂层。喷涂工艺主要的参数为：电弧工作电压41±1V，电弧工作电流65±10A，压缩空气为0.8Mpa，喷涂距离为120mm，喷枪的水平移动速度为10mm/s，喷枪两端丝材的送丝速度为6m/min，喷涂过程无间隔，喷涂持续25s，喷枪在基体表面往复喷涂4次。
本实例制备的复合涂层厚度为350±30μm，涂层表面呈现TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)相互均匀扩散分布的特征，涂层截面表现出更为明显的TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)典型的层压状结构。根据EDS分析结果，涂层中主要以Ti的氮氧化物为主，Cu含量为18.6％。涂层表面和截面结构平整致密，孔隙率仅为0.67％。根据纳米压痕硬度测试，涂层的硬度为15.7±0.5Gpa，弹性模量为159±2Mpa，硬度比Q345B结构钢基体提高6.5倍。在法向载荷为10N、20N干磨条件下的磨损体积分别仅为Q345B基体的23％和56％，在10N法向载荷、3.5％NaCl腐蚀液环境下磨损体积仅为基底的28％。其中，10N干磨条件下的耐磨性能比基底材料提高400％以上。
实施例4
使用平均粒度为2.0mm的棕刚玉沙对Q345B工件表面进行喷砂粗化处理，增加涂层和基体间的结合力。喷砂压力为0.8Mpa，喷砂角度为85°，喷砂距离为60mm，单个基体持续喷砂的时间为15s。选用纯度为99.9％，直径为1.0mm、长度为2500mm的纯Cu丝作为喷涂电源输出的自耗阳极。选用纯度为99.9％，直径为1.5mm、长度为2500mm的纯Ti丝作为喷涂电源输出的自耗阴极。喷涂前，用砂纸除去丝材表面附着物及氧化层后置于超声仪器中清洗干净。将金属丝材和尺寸为Ф25*9mm的Q345B基体材料固定在相对应的模具后，采用SX-1000超音速电弧喷涂设备制备出耐磨蚀的层压结构复合陶瓷涂层。喷涂工艺主要的参数为：电弧工作电压42±1V，电弧工作电流100±10A，压缩空气为0.8Mpa，喷涂距离为120mm，喷枪的水平移动速度为10mm/s，喷枪两端丝材的送丝速度为8m/min，喷涂过程无间隔，喷涂持续20s，喷枪在基体表面往复喷涂3次。
本实例制备的复合涂层厚度为400±50μm，涂层表面呈现TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)相互均匀扩散分布的特征，涂层截面表现出更为明显的TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)典型的层压状结构。根据EDS分析结果，涂层中Cu含量为35.8％，Ti的氮氧化物与Cu单质的比例接近6：4，属于Cu含量较高的复合陶瓷涂层。涂层表面和截面结构平整致密，孔隙率仅为0.54％。根据纳米压痕硬度测试，涂层的硬度为10.16±0.8Gpa，弹性模量为155±5Mpa，硬度比Q345B结构钢基体提高4.5倍。在法向载荷为10N、20N干磨条件下的磨损体积分别仅为Q345B基体的29％和31％，在10N法向载荷、3.5％NaCl腐蚀液环境下磨损体积仅为基底的35％。涂层在10N干磨条件下的耐磨性能较于基体材料，整体提高300％左右。
实施例5
使用平均粒度为2.0mm的棕刚玉沙对Q345B工件表面进行喷砂粗化处理，增加涂层和基体间的结合力。喷砂压力为0.8Mpa，喷砂角度为90°，喷砂距离为40mm，单个基体持续喷砂的时间为20s。选用纯度为99.9％，直径为2.0mm、长度为3000mm的纯Cu丝作为喷涂电源输出的自耗阳极。选用纯度为99.9％，直径为1.5mm、长度为3000mm的纯Ti丝作为喷涂电源输出的自耗阴极。喷涂前，用砂纸除去丝材表面附着物及氧化层后置于超声仪器中清洗干净。将金属丝材和尺寸为Ф25*9mm的Q345B基体材料固定在相对应的模具后，采用SX-1000超音速电弧喷涂设备制备出耐磨蚀的层压结构复合陶瓷涂层。喷涂工艺主要的参数为：电弧工作电压45±1V，电弧工作电流120±10A，压缩空气为0.8Mpa，喷涂距离为120mm，喷枪的水平移动速度为15mm/s，喷枪两端丝材的送丝速度为10m/min，喷涂过程无间隔，喷涂持续18s，喷枪在基体表面往复喷涂5次。
本实例制备的复合涂层厚度为600±50μm，涂层表面呈现TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)相互均匀扩散分布的特征，涂层截面表现出更为明显的TiN/TiO2(暗相)-Cu(明相)典型的层压状结构。根据EDS分析结果，涂层中Cu单质含量为66.6％，超过50％，成为组分最高的相。涂层表面和截面结构平整致密，孔隙率仅为0.42％。根据纳米压痕硬度测试，涂层的硬度为8.77±0.2Gpa，弹性模量为130±1Mpa，硬度比Q345B结构钢基体提高3.5倍。在法向载荷为20N干磨条件下的磨损体积为Q345B基体的62％，在10N法向载荷、3.5％NaCl腐蚀液环境下磨损体积仅为基底的39％。涂层在不同摩擦磨损条件下显示出较好的耐磨性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层，其特征在于由同轴送丝轮上不同直径比的纯Ti丝和纯Cu丝通过超音速电弧喷涂制得，所述的耐磨蚀复合陶瓷涂层为Cu-TiN/TiO2层压结构复合陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层，其特征在于：所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的主要成分为Cu、TiN、TiO2、TiN0.3，Cu元素没有生成影响其耐腐蚀性能的杂质相，Ti元素没有生成影响其硬度和耐磨性能的中间相。
3.根据权利要求2所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层，其特征在于：
所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层中Cu单质的含量为8.3％-66.6％,优选为8.3％-35.8％。
4.根据权利要求1所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层，其特征在于：所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层厚度为200-1000μm。
5.根据权利要求1所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层，其特征在于：所述的钛丝纯度为≥99.9％，Ti丝直径为1.0-2.0mm；所述的Cu丝纯度为≥99.9％，Cu丝直径为0.3-2.0mm。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将不同直径配比的纯Ti丝和纯Cu丝通过同轴滚轮送丝装置固定，在控制面版设置好喷涂参数后进行喷涂，得到复合陶瓷涂层。
7.根据权利要求6所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述的超音速电弧喷涂工艺的参数为：电弧工作的电压为38-44V，电弧的工作电流≤150A，同轴送丝速度为3m/min-10m/min，压缩空气压力0.8Mpa，喷涂距离为120mm，喷涂气氛为大气环境。
8.根据权利要求6所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：其中控制喷枪移动的伺服电机的速度为:水平方向上5-20mm/s，单次喷涂时间为15-50s，反复喷涂至涂层厚度为200-1000μm，。
9.根据权利要求1-5任一项所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层在海洋环境下服役工程装备及临海领域各类工件和工程结构的表面防护中的应用。
10.根据权利要求1-5任一项所述的层压结构耐磨蚀复合陶瓷涂层在船舶表面，海上作业平台，位于潮汐区冲刷的桥梁平台中的应用。
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