CN1413774A - 粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法，首先对基体表面进行净化、活化、纳米化的处理，然后在大孔径喷枪的粉末热喷涂装置上，采用团聚态纳米材料的热喷涂粉末，直接对基体表面进行热喷涂，最后获得高质量的纳米晶组织的表面涂层，其涂层机械性能好，制备工艺简单、粉末沉积率和喷涂效率高，生产成本低，可以实现氧乙炔火焰粉末喷枪直接热喷涂陶瓷涂层。本发明适用于抗高温氧化、抗腐蚀、耐磨、热障、绝缘等金属涂层、金属陶瓷涂层、陶瓷涂层的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米材料涂层的制备方法，具体地说，是关于粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法，属于表面技术领域。
背景技术
在现有的粉末热喷涂技术中，一般认为粉末热喷涂焰流的温度和速度是决定优质涂层的两个关键因素。因此，近年来相继出现了超音速喷涂，爆炸喷涂等粉末热喷涂技术，对于提高粉末热喷涂焰流温度、速度和涂层结合强度起到了重要作用。但是，随之带来了能耗高、噪音大，沉积率低、制造成本高的问题。
现有的氧乙炔火焰粉末热喷涂陶瓷涂层，主要存在熔态不均、结合强度差、沉积率低等问题。
现有的金属基陶瓷涂层，由于金属基体与陶瓷涂层膨胀系数的差异，造成金属基体与陶瓷涂层之间的残余应力，容易引起涂层脱落。因此，一般采用过渡涂层的制备方法。但是，热喷涂过渡涂层制造工艺复杂，成本也比较高。
现有的纳米材料涂层技术中，中国专利申请公开说明书01134720.1公开了一种陶瓷表面彩色纳米涂层的制备方法，它采用化学镀或喷涂工艺使陶瓷表面金属化，再采用电镀技术制备不同色泽的金属涂层，最后采用溶胶凝胶工艺，在金属涂层表面涂覆防腐耐磨的纳米陶瓷。该发明制造工艺复杂、成本高、局限于建筑装饰和生活日用品表面装饰的陶瓷产品。中国专利申请公开说明书96191409.2公开了一种用于热喷涂的纳米材料的进料，它是利用纳米颗粒悬浮液，及有机金属液体应用在传统的热喷涂沉积上，以制造高质量的纳米材料的涂层的方法，其中热喷涂装置是等离子喷枪，喷涂材料采用WC/C0、Cr3C2/Ni、Fe3Mo3C/Fe、SiC、Si3Na、MnO2及钇稳定化的二氧化锆(YSZ)，该发明纳米喷涂材料需要再加工，等离子热喷涂能耗大、制造成本高，由于喷涂材料中含有有机结合剂，在热喷涂过程中有机结合剂产生碳化，涂层容易污染和变色。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术不足，通过对热喷涂粉末的形貌和粒度的研究，提供一种制造工艺简单、结合强度高、成本低的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法。并且在金属基上实现氧乙炔火焰热喷涂纳米材料陶瓷涂层。
本发明的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法是通过以下技术方案实现的：首先，对基体表面进行净化、活化、纳米化处理；然后，在大孔径喷枪的粉末热喷涂装置上，采用团聚态纳米材料的热喷涂粉末，直接对基体表面进行热喷涂；最后，获得纳米晶组织的表面涂层。
本发明的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法中所述的对基体表面进行净化、活化、纳米化的处理，可以采用粒度7～30目的优质刚玉或石英砂，以大于1MPa的压力和超音速或亚音速的喷砂枪对基体表面进行喷砂粗化、去污除锈，使基体表面积增大、基体表面粗晶组织逐渐细化至纳米量级和基体表面镶嵌微纳米刚玉或石英颗粒。
本发明的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法中所述的使用大孔径喷枪的粉末热喷涂装置，可以对传统粉末热喷涂枪的出粉孔进行扩径处理，其孔径2～4毫米，孔形为圆形。
本发明的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法中所述的采用团聚态纳米材料的热喷涂粉末，其一次颗粒为纳米级，团聚态颗粒为60～100μm，形貌表征为球形和内部存在大量孔隙。
本发明的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法中所述的直接对基体表面进行热喷涂，由于纳米材料膨胀系数大于常规材料膨胀系数，可以不热喷涂底层和过渡层，直接热喷涂团聚态纳米材料的热喷涂粉末，也可以根据需要热喷涂底层、过渡层、工作层，从而获得纳米材料梯度涂层。氧气压力、燃气压力和喷距均比常规粉末热喷涂扩大1.2～1.8倍。
本发明的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法中所述的纳米晶组织的表面涂层，可以在热喷涂高速高温焰流作用下，团聚态纳米材料热喷涂粉末吸收能量而产生燃爆分散，并且带孔的纳米颗粒继续吸收能量而产生燃爆雾化成更小的熔滴，以大于焰流速度冲向基体表面，以大于106℃/s的冷却速度沉积于基体表面，从而获得纳米晶组织的表面涂层。
本发明的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法与现有技术比较，具有如下增益效果：
1.由于增大了喷砂力度，因此可以实现基体表面纳米化，既基体表面粗晶组织逐渐细化至纳米量级，使基体表面吸附能力增强；而且，可以使基体表面镶嵌较多的微纳米刚玉或石英颗粒，在焰流作用下使其软化和熔化，对于沉积在基体表面的涂层起到粘结作用，提高了结合强度；
2.由于利用纳米材料的吸附性和团聚性的特点，因此团聚态纳米材料的热喷涂粉末流动性好，出粉量大，比常规粉末热喷涂效率提高2倍以上；
3.由于利用纳米材料比同类常规材料熔点低的特点，因此团聚态纳米材料的热喷涂粉末熔态好，熔滴均匀。而且，对于不能采用难熔常规材料的氧乙炔火焰粉末热喷涂，可以采用本发明的团聚态纳米材料的热喷涂粉末，实现纳米材料涂层；
4.由于利用纳米材料比同类常规材料膨胀系数增大的特点，因此有利于减小涂层与基体由于膨胀系数差异而引起的残余应力，有利于提高结合强度。例如，纳米α-Al2O3膨胀系数比常规α-Al2O3大一倍，接近于钢铁材料，采用氧乙炔火焰热喷涂枪直接在钢铁基体上热喷涂纳米α-Al2O3涂层，经过抗震性试验，达700余次未出现涂层脱落；
5.由于利用纳米材料闭聚性易产生纳米颗粒间的孔隙和有些纳米材料存在多孔的特点，在高速高温焰流作用下，团聚态纳米材料热喷涂粉末吸收能量产生燃爆分散和雾化成更小的熔滴，熔滴愈小沉积基体表面后冷却速度愈大，从而容易获得纳米晶组织的表面涂层；
6.纳米材料涂层与同类常规材料涂层相比较，机械和化学性能可以得到大幅度改善，有利于材料表面强化。例如，表面硬度可以提高3倍以上，韧性不变的情况下，屈服强度提高30％以上。
附图说明
图1是钢基表面粗化、净化、活化、纳米化后表面形貌图。
图2是纳米α-Al2O3团聚态热喷涂粉料TEM-200CX透射电镜形貌。
图3是氧乙炔火焰热喷涂纳米α-Al2O3涂层表面形貌。
具体实施方式
实施例在钢基表面上采用氧乙炔火焰热喷涂团聚态纳米α-Al2O3热喷涂粉末，制备抗高温氧化、耐磨、反射、热障、抗熔融金属腐蚀和冲蚀的纳米材料涂层，结合图1～4对本发明的具体实施方式作进一步描述：
1.对钢基表面进行强化喷砂，既进行净化、活化、纳米化处理。采用粒度7～30目的优质刚玉或石英砂，采用超音速或亚音速的喷砂枪以1～1.5MPa的压力，以5～6kg/min的流量，以1.2～1.8m2/h的喷砂效率进行喷砂粗化，去污除锈，使钢基表面净化、活化、纳米化。经过强化喷砂处理后，金相组织经TEM-200CX透射电镜进行形貌和成分分析，可以观测到表面晶粒已碎成纳米晶、晶粒呈等轴状，平均尺寸均为20nm，选区电子衍射表明纳米晶粒取向呈随机分布；在距表面约50μm深度，晶粒呈等轴状，尺寸约为1μm。结果表明，在钢基表面发生强烈塑性变形的区域形成了纳米晶层，晶粒尺寸＜100nm，在塑性变形不明显的区域形成了亚微晶层，100nm＜晶粒尺寸＜1000nm；钢基表面还镶嵌大量的刚玉或石英微纳米颗粒；
2.选用粉末热喷涂装置，以选用传统的QT-E2000-7/h型氧乙炔火焰粉末喷枪为例。将原有喷枪扁平出粉孔L×B＝1.5×1mm，扩成圆形孔Φ2～2.5mm，喷咀采用锥芯梅花喷嘴与空气喷嘴组合；
3.选用的团聚态纳米α-Al2O3热喷涂粉末，经TEM-200CX透射电镜进行形貌分析，可以观测到粉末呈细小颗粒状、粒径5～10nm、带孔的粒径25～40nm，其孔径为10nm，粉末呈球形团聚态，团聚态颗粒为60～100μm；
4.在经过扩孔处理的QT-E2000-7/h型氧乙炔火焰粉末喷枪上，采用团聚态纳米α-Al2O3热喷涂粉末，直接对钢基表面进行热喷涂，其中氧气压力0.7～0.9MPa、氧气流量1000～1200L/h、乙炔压力0.09～0.12Mpa、乙炔流量1000～1100L/h、空气压力0.5～0.8MPa、喷距200～220mm、火焰温度2800～3200℃、钢基表面不预热、熔滴速度300～370m/s、喷涂效率3～4kg/h、喷涂厚度0.5～1mm、孔隙率≤8％，钢基无变形；
5.对制备的纳米材料涂层进行检测，经TEM-200CX透射电镜进行形貌和成分分析，可以观测到涂层表面呈纳米晶组织，其平均粒径15纳米，涂层致密，颗粒团聚严重。
Claims (6)
1.一种粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法，其特征在于首先对基体表面进行净化、活化、纳米化的处理，然后在大孔径喷枪的粉末热喷涂装置上，采用团聚态纳米材料的热喷涂粉末，直接对基体表面进行热喷涂，最后获得纳米晶组织的表面涂层。
2.根据权利1所述的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法，其特征是所述对基体表面进行净化、活化、纳米化的处理，可以采用粒度7～30目的优质刚玉或石英砂，以大于1MPa压力的超音速或亚音速喷砂枪对基体表面进行喷砂粗化，去污除锈，使基体表面积增大、基体表面粗晶组织逐渐细化至纳米量级和基体表面镶嵌微纳米刚玉或石英颗粒。
3.根据权利1所述的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法，其特征是所述大孔径喷枪的粉末热喷涂装置，可以对传统粉末热喷涂枪的出粉孔进行扩径处理，其孔径2～6毫米，孔形为圆形。
4.根据权利1所述的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法，其特征是所述采用团聚态纳米材料的热喷涂粉末，其一次颗粒为纳米级，团聚态颗粒为60～100μm，形貌表征为球形和内部存在大量孔隙。
5.根据权利1所述的粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法，其特征是所述直接对基体表面进行热喷涂，由于纳米材料膨胀系数大于常规材料膨胀系数，可以不喷涂底层和过渡层，直接喷涂团聚态纳米材料的热喷涂粉末，也可以根据需要热喷涂底层、过渡层和工作层，从而获得纳米材料梯度涂层，氧气压力，燃气压力和喷距均比常规粉末热喷涂扩大1.2～1.8倍。
6.根据权利1所述的粉末热喷涂纳米材料层的制备方法，其特征是所述获得纳米晶组织的表面涂层，可以在热喷涂高速高温焰流作用下，团聚态纳米材料热喷涂粉末吸收能量而产生燃爆分散，并且具有介质孔的纳米颗粒继续吸收能量而产生燃爆雾化成更小的熔滴，以大于焰流速度冲向基体表面，以大于106℃/s的冷却速度沉积于基体表面，从而获得纳米晶组织的表面涂层。
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