CN117966073A - 一种自密封耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自密封耐磨涂层及其制备方法，涉及金属涂层技术领域，一种自密封耐磨涂层，包括Cr2C3、NiCr、铬、氧化铈、氧化钇、CoCrMo、BaF2、改性纳米钙钛矿。本发明还提供一种自密封耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤；将所述混合粉料筛分后得到热喷涂粉料；将所述热喷涂粉料在基材上进行等离子喷涂，得到初级涂层，所述离子喷涂的温度为300‑330℃；将所述初级涂层在真空炉中进行热处理，得到所述自密封耐磨涂层。本发明的涂层与基材的结合能力高，膜层很光滑且气孔较少。在涂层的表面会形成釉质层或尖晶石类物质，有效保证了膜层的耐磨性，使得涂层使用过程中磨损性低，而且制备方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及金属涂层技术领域，具体涉及一种自密封耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
热喷涂技术在表面强化技术领域中受到越来越多的关注，是通过热源将备好的粉末或丝材熔化为熔滴，通过高速气流喷射到基体材料表面，形成涂层，改善基材的硬度、耐腐蚀性、抗氧化、耐高温等性能。因此在航空、航天、机械、冶金等领域得到广泛的应用。
热喷涂粉末在热喷涂工艺中材料占比达到70％以上，粉末颗粒的粒度分布、形貌特征、成分组成都会影响涂层效果。
热喷涂通常分为火焰喷涂，电弧喷涂，超音速火焰喷涂，等离子喷涂。其中超音速火焰喷涂和等离子喷涂制备涂层性能较好，应用最为广泛。
热喷涂制备的涂层通常结合力不佳，采用等离子制备工艺涂层结合力通常在50Mpa以下，HVOF在69Mpa以上。在较为严苛的使用环境中，涂层常常由于较低的结合力会从基体上脱落。
热喷涂在制备过程中会不可避免的产生孔隙，在耐腐蚀应用中，可以通过调节工艺参数来制备较低孔隙率的涂层，提高涂层的耐腐蚀性能。但是在严苛的腐蚀工况中，由于孔隙的存在涂层难以长时间服役。通常采用密封工艺进行孔隙的封堵，采用树脂等材料堵住涂层中的孔隙。但是树脂不能再高温下工作，并且密封效果不能达到100％，涂层仍然难以常期服役。所以在极端腐蚀工况，例如：海洋用工件，垃圾焚烧厂锅炉工件等场合，通常使用激光熔覆或者喷焊等工艺方法制备没有孔隙的涂层，来满足腐蚀工况的使用要求。但是激光熔覆或者喷焊制备的涂层在耐磨性能上表现一般，且厚度较厚，加工效率低。
综上，现有技术中的热喷涂工艺制备出的涂层与基材结合力弱，且涂层存在较多的孔，使用过程中易腐蚀氧化，且涂层的耐磨性差。
发明内容
本发明提供了一种自密封耐磨涂层及其制备方，以解决享有技术中出现的热喷涂涂层空隙较多，耐摩性差，与基材结合力弱的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种自密封耐磨涂层，包括Cr2C3、NiCr、铬、氧化铈、氧化钇、CoCrMo、改性纳米钙钛矿，为了提升涂层的性能还可以添加BaF2。
优选地，按质量份计耐磨涂层包括Cr2C3 50-60份、NiCr 5-10份、铬5-10份、氧化铈6-10份、氧化钇4-6份、CoCrMo 0.5-1.4份、BaF2 3-5份、改性纳米钙钛矿3-5份。
优选地，所述耐磨涂层还包括刚玉粉、玻璃粉和/或石英粉。
优选地，按质量份计所述耐磨涂层还包括刚玉粉13-17份、玻璃粉1-3份和/或石英粉10-15份。
优选地，所述改性纳米钙钛矿为3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷改性纳米钙钛矿。
优选地，所述Cr2C3的颗粒粒径为5-30微米，所述NiCr的粒径为5-25微米。
优选地，所述CoCrMo和BaF2的颗粒粒径为100-150纳米。
一种基于前文所述的自密封耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤；
S1、将Cr2C3、NiCr、铬、氧化铈、氧化钇、CoCrMo、BaF2、改性纳米钙钛矿、刚玉粉、玻璃粉和/或石英粉混合后加水搅拌，得到原始浆料；
S2、将所述原始浆料在容器中静置1-3小时，进行粉末沉降；
S3、取出所述粉末，在110-120℃下进行干燥，干燥24h，得到混合粉料；
S4、将所述混合粉料筛分后得到热喷涂粉料；
S5、将所述热喷涂粉料在基材上进行等离子喷涂，得到初级涂层；
S6、将所述初级涂层在真空炉中，950-960℃，保温时间为12-14h，进行热处理，得到所述自密封耐磨涂层。
本发明中的这些成分原料在喷涂完成后会分散在涂层中，并填充热喷涂过程形成的孔隙，在经过热处理后可以使得涂层达到没有孔隙的效果，提高了涂层的耐腐蚀性能。铬粉的添加可以在喷涂和热处理过程中氧化产生氧化铬，进一步提高了涂层的耐磨性能。
改性纳米钙钛矿可降低涂层与基材之间的接触角，并提高涂层的抗腐蚀性和光电性能。本发明中的改性钙钛矿可以使用3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷改性，通过在纳米钙钛矿表面吸附或化学吸附3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷，可以使纳米颗粒表面形成亲水性的基团，从而提高成膜过程中熔融体的润湿性和黏附性。改性后的纳米钙钛矿可以应用于热喷涂颗粒材料，降低涂层与基材之间的接触角以增加涂层与基材间的粘附力，可以提高成膜过程中薄膜的完整性，避免气孔的形成，提升涂层与基材的结合力。
与此同时添加的氧化铈、氧化钇能够调整成膜过程中形成的气孔，进一步避免气孔的形成。氧化钇的添加能够降低微孔的形成倾向，使得微孔通道封闭，涂层的表面变得更为光滑。氧化铈的加入促进了高温下氧化物NiO和CoO与Cr2O3之间的反应，CeO2的加入可以有效降低制备的涂层的氧化膜中尖晶石相的合成温度，从而促进了热处理过程中氧化物之间的反应和NiCr2O4和CoCr2O4尖晶石相的生成。尖晶石相含量的增加提高了涂层的氧化膜的热膨胀系数，从而导致氧化膜和涂层之间的热膨胀系数差降低，这有利于降低涂层在氧化过程中的氧化速度，提升膜层的强度。
在制备薄膜的热处理过程中Mo和BaF2会形成MoOx和BaMoO4会促进在薄膜表层形成光滑的釉质层，与NiCr2O4和CoCr2O4尖晶石共同作用不仅提高涂层的耐磨性和使得涂层的摩擦系数和磨损率显著下降。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)添加改性纳米钙钛矿、氧化铈、氧化钇等提高涂层与基材的结合能力，提高膜层的抗氧化能力，使得膜层很光滑且气孔较少。开口孔隙0％，闭口的孔隙仅仅0.5％。制备的涂层在弱酸、盐溶液和热浸中绝对稳定，即使在冷硫酸、硝酸、铬酸和盐酸中(<5％)也非常稳定；在热硫酸中非常稳定；不耐热盐酸(>5％)；
(2)在涂层的表面会形成釉质层或尖晶石类物质，有效保证了膜层的耐磨性，使得涂层使用过程中磨损性低，硬度高达HV0.3 900-1150，耐磨性超过镀硬铬；
(3)在热处理之后涂层和基材的结合力大，约为190-210Mpa，使用温度高达800℃。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中提供的一种自密封耐磨涂层的金相组织分析图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种自密封耐磨涂层，按质量份计包括Cr2C3 50g、NiCr 5g、铬5g、氧化铈6g、氧化钇4g、CoCrMo 0.5g、BaF2 3g、改性纳米钙钛矿3g、刚玉粉13g、玻璃粉1g和石英粉10g。
所述改性纳米钙钛矿为3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷改性纳米钙钛矿。
所述Cr2C3的颗粒粒径为5微米，所述NiCr的粒径为5微米，所述CoCrMo和BaF2的颗粒粒径为100纳米。
一种基于本实施例所述的自密封耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤；
S1、将Cr2C3、NiCr、铬、氧化铈、氧化钇、CoCrMo、BaF2、改性纳米钙钛矿、刚玉粉、玻璃粉和/或石英粉混合后加水搅拌，得到原始浆料；
S2、将所述原始浆料在容器中静置1小时，进行粉末沉降；
S3、取出所述粉末，在110℃下进行干燥，干燥24h，得到混合粉料；
S4、将所述混合粉料筛分后得到热喷涂粉料；
S5、将所述热喷涂粉料在基材上进行等离子喷涂，得到初级涂层；
S6、将所述初级涂层在真空炉中，950℃，保温时间为12h，进行热处理，得到所述自密封耐磨涂层。
本实施例中的涂层的金相组织分析图如图1，本实施例中的涂层的显微结构中无空隙存在。
实施例2
一种自密封耐磨涂层，按质量份计包括Cr2C3 55g、NiCr 8g、铬8g、氧化铈7g、氧化钇5g、CoCrMo 1.0g、BaF24 g、改性纳米钙钛矿4.5g，刚玉粉14g、玻璃粉1.5g和石英粉12g。
所述改性纳米钙钛矿为3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷改性纳米钙钛矿。
所述Cr2C3的颗粒粒径为22微米，所述NiCr的粒径为15微米，所述CoCrMo和BaF2的颗粒粒径为120纳米。
一种基于本实施例所述的自密封耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤；
S1、将Cr2C3、NiCr、铬、氧化铈、氧化钇、CoCrMo、BaF2、改性纳米钙钛矿、刚玉粉、玻璃粉和/或石英粉混合后加水搅拌，得到原始浆料；
S2、将所述原始浆料在容器中静置2小时，进行粉末沉降；
S3、取出所述粉末，在115℃下进行干燥，干燥24h，得到混合粉料；
S4、将所述混合粉料筛分后得到热喷涂粉料；
S5、将所述热喷涂粉料在基材上进行等离子喷涂，得到初级涂层；
S6、将所述初级涂层在真空炉中，955℃，保温时间为13h，进行热处理，得到所述自密封耐磨涂层。
实施例3
一种自密封耐磨涂层，按质量份计包括Cr2C3 60g、NiCr 10g、铬10g、氧化铈10g、氧化钇6g、CoCrMo 1.4g、BaF2 5g、改性纳米钙钛矿5g、刚玉粉17g、玻璃粉3g和石英粉15g。
所述改性纳米钙钛矿为3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷改性纳米钙钛矿。
所述Cr2C3的颗粒粒径为30微米，所述NiCr的粒径为25微米，所述CoCrMo和BaF2的颗粒粒径为150纳米。
一种基于本实施例所述的自密封耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤；
S1、将Cr2C3、NiCr、铬、氧化铈、氧化钇、CoCrMo、BaF2、改性纳米钙钛矿、刚玉粉、玻璃粉和/或石英粉混合后加水搅拌，得到原始浆料；
S2、将所述原始浆料在容器中静置3小时，进行粉末沉降；
S3、取出所述粉末，在120℃下进行干燥，干燥24h，得到混合粉料；
S4、将所述混合粉料筛分后得到热喷涂粉料；
S5、将所述热喷涂粉料在基材上进行等离子喷涂，得到初级涂层；
S6、将所述初级涂层在真空炉中，960℃，保温时间为14h，进行热处理，得到所述自密封耐磨涂层。
实施例4
本实施例与实施例1相同，区别在于，本实施例中不添加BaF2。
对比例1
本对比例与实施例1相似，区别在于，本对比例中不添加氧化钇。
对比例2
本对比例与实施例1相似，区别在于，本对比例中不添加改性纳米钙钛矿。
对比例3
本对比例与实施例1相似，区别在于，本对比例中不添加CoCrMo和BaF2。
取实施例1-4和对比例1-3中制备的耐磨涂层，进行性能测试，主要测试内容为涂层的抗拉结合强度、700℃下的摩擦系数和磨损率、气密性(孔隙率)、膜层硬度，测试结果如下；
对比以上数据可以看出本发明的各组合物的组合方式下制备的涂层的性能较为优良。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种自密封耐磨涂层，其特征在于，包括Cr2C3、NiCr、铬、氧化铈、氧化钇、CoCrMo、改性纳米钙钛矿。
2.根据权利要求1所述的一种自密封耐磨涂层，其特征在于，按质量份计所述耐磨涂层包括Cr2C3 50-60份、NiCr 5-10份、铬5-10份、氧化铈6-10份、氧化钇4-6份、CoCrMo 0.5-1.4份、改性纳米钙钛矿3-5份。
3.根据权利要求2所述的一种自密封耐磨涂层，其特征在于，所述耐磨涂层还包括刚玉粉、玻璃粉和石英粉中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的一种自密封耐磨涂层，其特征在于，按质量份计所述耐磨涂层还包括刚玉粉13-17份、玻璃粉1-3份和石英粉10-15份中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的一种自密封耐磨涂层，其特征在于，所述Cr2C3的颗粒粒径为5-30微米，所述NiCr的粒径为5-25微米。
6.根据权利要求5所述的一种自密封耐磨涂层，其特征在于，所述CoCrMo的颗粒粒径为100-150纳米。
7.一种基于权利要求3-6中任意一项所述的自密封耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1、将Cr2C3、NiCr、铬、氧化铈、氧化钇、CoCrMo、改性纳米钙钛矿、刚玉粉、玻璃粉和/或石英粉混合后加水搅拌，得到原始浆料；
S2、将所述原始浆料在容器中静置1-3小时，进行粉末沉降；
S3、取出所述粉末，进行干燥，得到混合粉料；
S4、将所述混合粉料筛分后得到热喷涂粉料；
S5、将所述热喷涂粉料在基材上进行等离子喷涂，得到初级涂层，所述离子喷涂的温度为300-330℃；
S6、将所述初级涂层在真空炉中进行热处理，得到所述自密封耐磨涂层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S3中所述干燥的温度为110-120℃，时间为24h。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S6中所述热处理的温度为950-960℃，保温时间为12-14h。
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