專利名稱：粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料涂層的制備方法，具體地說，是關(guān)于粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法，屬于表面技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的粉末熱噴涂技術(shù)中，一般認(rèn)為粉末熱噴涂焰流的溫度和速度是決定優(yōu)質(zhì)涂層的兩個關(guān)鍵因素。因此，近年來相繼出現(xiàn)了超音速噴涂，爆炸噴涂等粉末熱噴涂技術(shù)，對于提高粉末熱噴涂焰流溫度、速度和涂層結(jié)合強度起到了重要作用。但是，隨之帶來了能耗高、噪音大，沉積率低、制造成本高的問題。
現(xiàn)有的氧乙炔火焰粉末熱噴涂陶瓷涂層，主要存在熔態(tài)不均、結(jié)合強度差、沉積率低等問題。
現(xiàn)有的金屬基陶瓷涂層，由于金屬基體與陶瓷涂層膨脹系數(shù)的差異，造成金屬基體與陶瓷涂層之間的殘余應(yīng)力，容易引起涂層脫落。因此，一般采用過渡涂層的制備方法。但是，熱噴涂過渡涂層制造工藝復(fù)雜，成本也比較高。
現(xiàn)有的納米材料涂層技術(shù)中，中國專利申請公開說明書01134720.1公開了一種陶瓷表面彩色納米涂層的制備方法，它采用化學(xué)鍍或噴涂工藝使陶瓷表面金屬化，再采用電鍍技術(shù)制備不同色澤的金屬涂層，最后采用溶膠凝膠工藝，在金屬涂層表面涂覆防腐耐磨的納米陶瓷。該發(fā)明制造工藝復(fù)雜、成本高、局限于建筑裝飾和生活日用品表面裝飾的陶瓷產(chǎn)品。中國專利申請公開說明書96191409.2公開了一種用于熱噴涂的納米材料的進料，它是利用納米顆粒懸浮液，及有機金屬液體應(yīng)用在傳統(tǒng)的熱噴涂沉積上，以制造高質(zhì)量的納米材料的涂層的方法，其中熱噴涂裝置是等離子噴槍，噴涂材料采用WC/C0、Cr3C2/Ni、Fe3Mo3C/Fe、SiC、Si3Na、MnO2及釔穩(wěn)定化的二氧化鋯(YSZ)，該發(fā)明納米噴涂材料需要再加工，等離子熱噴涂能耗大、制造成本高，由于噴涂材料中含有有機結(jié)合劑，在熱噴涂過程中有機結(jié)合劑產(chǎn)生碳化，涂層容易污染和變色。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，通過對熱噴涂粉末的形貌和粒度的研究，提供一種制造工藝簡單、結(jié)合強度高、成本低的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法。并且在金屬基上實現(xiàn)氧乙炔火焰熱噴涂納米材料陶瓷涂層。
本發(fā)明的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的首先，對基體表面進行凈化、活化、納米化處理；然后，在大孔徑噴槍的粉末熱噴涂裝置上，采用團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，直接對基體表面進行熱噴涂；最后，獲得納米晶組織的表面涂層。
本發(fā)明的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法中所述的對基體表面進行凈化、活化、納米化的處理，可以采用粒度7～30目的優(yōu)質(zhì)剛玉或石英砂，以大于1MPa的壓力和超音速或亞音速的噴砂槍對基體表面進行噴砂粗化、去污除銹，使基體表面積增大、基體表面粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級和基體表面鑲嵌微納米剛玉或石英顆粒。
本發(fā)明的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法中所述的使用大孔徑噴槍的粉末熱噴涂裝置，可以對傳統(tǒng)粉末熱噴涂槍的出粉孔進行擴徑處理，其孔徑2～4毫米，孔形為圓形。
本發(fā)明的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法中所述的采用團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，其一次顆粒為納米級，團聚態(tài)顆粒為60～100μm，形貌表征為球形和內(nèi)部存在大量孔隙。
本發(fā)明的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法中所述的直接對基體表面進行熱噴涂，由于納米材料膨脹系數(shù)大于常規(guī)材料膨脹系數(shù)，可以不熱噴涂底層和過渡層，直接熱噴涂團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，也可以根據(jù)需要熱噴涂底層、過渡層、工作層，從而獲得納米材料梯度涂層。氧氣壓力、燃?xì)鈮毫蛧娋嗑瘸Ｒ?guī)粉末熱噴涂擴大1.2～1.8倍。
本發(fā)明的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法中所述的納米晶組織的表面涂層，可以在熱噴涂高速高溫焰流作用下，團聚態(tài)納米材料熱噴涂粉末吸收能量而產(chǎn)生燃爆分散，并且?guī)Э椎募{米顆粒繼續(xù)吸收能量而產(chǎn)生燃爆霧化成更小的熔滴，以大于焰流速度沖向基體表面，以大于106℃/s的冷卻速度沉積于基體表面，從而獲得納米晶組織的表面涂層。
本發(fā)明的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有如下增益效果1.由于增大了噴砂力度，因此可以實現(xiàn)基體表面納米化，既基體表面粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級，使基體表面吸附能力增強；而且，可以使基體表面鑲嵌較多的微納米剛玉或石英顆粒，在焰流作用下使其軟化和熔化，對于沉積在基體表面的涂層起到粘結(jié)作用，提高了結(jié)合強度；2.由于利用納米材料的吸附性和團聚性的特點，因此團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末流動性好，出粉量大，比常規(guī)粉末熱噴涂效率提高2倍以上；3.由于利用納米材料比同類常規(guī)材料熔點低的特點，因此團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末熔態(tài)好，熔滴均勻。而且，對于不能采用難熔常規(guī)材料的氧乙炔火焰粉末熱噴涂，可以采用本發(fā)明的團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，實現(xiàn)納米材料涂層；4.由于利用納米材料比同類常規(guī)材料膨脹系數(shù)增大的特點，因此有利于減小涂層與基體由于膨脹系數(shù)差異而引起的殘余應(yīng)力，有利于提高結(jié)合強度。例如，納米α-Al2O3膨脹系數(shù)比常規(guī)α-Al2O3大一倍，接近于鋼鐵材料，采用氧乙炔火焰熱噴涂槍直接在鋼鐵基體上熱噴涂納米α-Al2O3涂層，經(jīng)過抗震性試驗，達(dá)700余次未出現(xiàn)涂層脫落；5.由于利用納米材料閉聚性易產(chǎn)生納米顆粒間的孔隙和有些納米材料存在多孔的特點，在高速高溫焰流作用下，團聚態(tài)納米材料熱噴涂粉末吸收能量產(chǎn)生燃爆分散和霧化成更小的熔滴，熔滴愈小沉積基體表面后冷卻速度愈大，從而容易獲得納米晶組織的表面涂層；6.納米材料涂層與同類常規(guī)材料涂層相比較，機械和化學(xué)性能可以得到大幅度改善，有利于材料表面強化。例如，表面硬度可以提高3倍以上，韌性不變的情況下，屈服強度提高30％以上。


圖1是鋼基表面粗化、凈化、活化、納米化后表面形貌圖。
圖2是納米α-Al2O3團聚態(tài)熱噴涂粉料TEM-200CX透射電鏡形貌。
圖3是氧乙炔火焰熱噴涂納米α-Al2O3涂層表面形貌。
具體實施例方式
實施例在鋼基表面上采用氧乙炔火焰熱噴涂團聚態(tài)納米α-Al2O3熱噴涂粉末，制備抗高溫氧化、耐磨、反射、熱障、抗熔融金屬腐蝕和沖蝕的納米材料涂層，結(jié)合圖1～4對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步描述1.對鋼基表面進行強化噴砂，既進行凈化、活化、納米化處理。采用粒度7～30目的優(yōu)質(zhì)剛玉或石英砂，采用超音速或亞音速的噴砂槍以1～1.5MPa的壓力，以5～6kg/min的流量，以1.2～1.8m2/h的噴砂效率進行噴砂粗化，去污除銹，使鋼基表面凈化、活化、納米化。經(jīng)過強化噴砂處理后，金相組織經(jīng)TEM-200CX透射電鏡進行形貌和成分分析，可以觀測到表面晶粒已碎成納米晶、晶粒呈等軸狀，平均尺寸均為20nm，選區(qū)電子衍射表明納米晶粒取向呈隨機分布；在距表面約50μm深度，晶粒呈等軸狀，尺寸約為1μm。結(jié)果表明，在鋼基表面發(fā)生強烈塑性變形的區(qū)域形成了納米晶層，晶粒尺寸＜100nm，在塑性變形不明顯的區(qū)域形成了亞微晶層，100nm＜晶粒尺寸＜1000nm；鋼基表面還鑲嵌大量的剛玉或石英微納米顆粒；2.選用粉末熱噴涂裝置，以選用傳統(tǒng)的QT-E2000-7/h型氧乙炔火焰粉末噴槍為例。將原有噴槍扁平出粉孔L×B＝1.5×1mm，擴成圓形孔Φ2～2.5mm，噴咀采用錐芯梅花噴嘴與空氣噴嘴組合；3.選用的團聚態(tài)納米α-Al2O3熱噴涂粉末，經(jīng)TEM-200CX透射電鏡進行形貌分析，可以觀測到粉末呈細(xì)小顆粒狀、粒徑5～10nm、帶孔的粒徑25～40nm，其孔徑為10nm，粉末呈球形團聚態(tài)，團聚態(tài)顆粒為60～100μm；4.在經(jīng)過擴孔處理的QT-E2000-7/h型氧乙炔火焰粉末噴槍上，采用團聚態(tài)納米α-Al2O3熱噴涂粉末，直接對鋼基表面進行熱噴涂，其中氧氣壓力0.7～0.9MPa、氧氣流量1000～1200L/h、乙炔壓力0.09～0.12Mpa、乙炔流量1000～1100L/h、空氣壓力0.5～0.8MPa、噴距200～220mm、火焰溫度2800～3200℃、鋼基表面不預(yù)熱、熔滴速度300～370m/s、噴涂效率3～4kg/h、噴涂厚度0.5～1mm、孔隙率≤8％，鋼基無變形；5.對制備的納米材料涂層進行檢測，經(jīng)TEM-200CX透射電鏡進行形貌和成分分析，可以觀測到涂層表面呈納米晶組織，其平均粒徑15納米，涂層致密，顆粒團聚嚴(yán)重。
權(quán)利要求
1.一種粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法，其特征在于首先對基體表面進行凈化、活化、納米化的處理，然后在大孔徑噴槍的粉末熱噴涂裝置上，采用團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，直接對基體表面進行熱噴涂，最后獲得納米晶組織的表面涂層。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法，其特征是所述對基體表面進行凈化、活化、納米化的處理，可以采用粒度7～30目的優(yōu)質(zhì)剛玉或石英砂，以大于1MPa壓力的超音速或亞音速噴砂槍對基體表面進行噴砂粗化，去污除銹，使基體表面積增大、基體表面粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級和基體表面鑲嵌微納米剛玉或石英顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法，其特征是所述大孔徑噴槍的粉末熱噴涂裝置，可以對傳統(tǒng)粉末熱噴涂槍的出粉孔進行擴徑處理，其孔徑2～6毫米，孔形為圓形。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法，其特征是所述采用團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，其一次顆粒為納米級，團聚態(tài)顆粒為60～100μm，形貌表征為球形和內(nèi)部存在大量孔隙。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法，其特征是所述直接對基體表面進行熱噴涂，由于納米材料膨脹系數(shù)大于常規(guī)材料膨脹系數(shù)，可以不噴涂底層和過渡層，直接噴涂團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，也可以根據(jù)需要熱噴涂底層、過渡層和工作層，從而獲得納米材料梯度涂層，氧氣壓力，燃?xì)鈮毫蛧娋嗑瘸Ｒ?guī)粉末熱噴涂擴大1.2～1.8倍。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的粉末熱噴涂納米材料層的制備方法，其特征是所述獲得納米晶組織的表面涂層，可以在熱噴涂高速高溫焰流作用下，團聚態(tài)納米材料熱噴涂粉末吸收能量而產(chǎn)生燃爆分散，并且具有介質(zhì)孔的納米顆粒繼續(xù)吸收能量而產(chǎn)生燃爆霧化成更小的熔滴，以大于焰流速度沖向基體表面，以大于106℃/s的冷卻速度沉積于基體表面，從而獲得納米晶組織的表面涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法，首先對基體表面進行凈化、活化、納米化的處理，然后在大孔徑噴槍的粉末熱噴涂裝置上，采用團聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，直接對基體表面進行熱噴涂，最后獲得高質(zhì)量的納米晶組織的表面涂層，其涂層機械性能好，制備工藝簡單、粉末沉積率和噴涂效率高，生產(chǎn)成本低，可以實現(xiàn)氧乙炔火焰粉末噴槍直接熱噴涂陶瓷涂層。本發(fā)明適用于抗高溫氧化、抗腐蝕、耐磨、熱障、絕緣等金屬涂層、金屬陶瓷涂層、陶瓷涂層的制備。
文檔編號B05D1/12GK1413774SQ0212959
公開日2003年4月30日 申請日期2002年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月9日
發(fā)明者金科 申請人:金科