本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种制备原位自封孔、自润滑涂层的方法。
背景技术：
陶瓷涂层具有高的硬度和良好的耐磨性，以及良好的耐腐蚀性被广泛应用为装饰涂层、耐磨涂层、耐腐蚀涂层。金属表面制备陶瓷涂层可以提高金属基体耐磨性和耐蚀性，目前，许多研究者通过反应热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、电孤镀、等技术制备了涂层，并对涂层的沉积过程，显微结构和性能进行了研究。采用cvd、pvd等技术制备的涂层厚度较薄，抑制了其特有性能的发挥；而利用等离子喷涂反应技术可以制备较厚的涂层，但等离子喷涂特有的微观缺陷难以消除，限制了涂层的特有性能的发挥。现在存在以下问题：从磨损角度讲：陶瓷涂层韧性差，磨损中的疲劳破坏导致磨粒磨损，会严重磨损金属摩擦副。从腐蚀角度讲：因喷涂本身的工艺特点，不可避免产生微观通孔，通孔成为腐蚀介质渗入基体的通道，导致涂层的耐蚀性明显下降。
技术实现要素：
本发明的技术目的在于针对单一材料存在的磨损和腐蚀问题，提供了一种适于喷涂的制备复合涂层的方法。本发明采用具有润滑性的树脂颗粒(peek、ptfe等)填补缺陷位置，通过双路同步送粉的方法，树脂颗粒在等离子喷涂制备出的陶瓷-树脂复合涂层中可以产生自润滑的作用，在高温环境中封闭填充陶瓷涂层中的孔隙或者裂纹，提高其耐磨、耐蚀性能。解决了两种粉末在混合在一起时的出粉不均一的问题；通过改变树脂粉的送粉位置来改变其在焰流中的加热时间，解决了其在高温下长时间受热分解的问题。
本发明的技术方案为：
一种制备原位自封孔-自润滑涂层的方法，该方法包括如下步骤：
(1)基体材料表面预处理：
依次采用丙酮和乙醇洗涤基材表面，然后进行喷砂处理，喷砂处理最终获得表面粗糙度ra为3.0-5.0μm；
(2)过渡层的制备：
用喷枪对基体材料进行预热处理，预热温度为100～200℃，预热时间为2～3分钟；然后再采用大气等离子喷涂设备对基材表面喷涂镍包铝过渡层，过渡层厚度为0.1-0.2mm；
(3)原位自封孔-自润滑涂层的制备：
在过渡层上采用双路同步送粉的方法进行等离子喷涂陶瓷粉和树脂粉，得到陶瓷-树脂复合涂层，涂层厚度为0.3-0.4mm；
其中，等离子喷涂参数为：电压：70～90v；电流：400～600a；陶瓷粉送粉气(n2)流量：0.5-0.7l/min；树脂粉送粉气(n2)流量：0.3-0.5l/min；喷涂距离：90～100mm；主弧气氩气流量：2000～3000l/h；辅气氮气流量：40～60l/min；树脂粉送粉管与喷枪的距离为60-90mm，树脂粉送粉管与焰流的夹角角度β为60°-90°；
所述陶瓷粉的粒度大小为40～70μm，树脂粉的粒度大小为50～70μm。
所述的陶瓷粉的材质具体优选为al2o3、zro2和ti粉。
所述的树脂粉优选为聚醚醚酮、聚四氟乙烯或环氧树脂。
所述的基体材料具体为碳钢、不锈钢、耐热钢或铝合金。
本发明的实质性特点为：
本发明采用纳米陶瓷与树脂复合，采用等离子喷涂的方法在工件表面制备纳米陶瓷为基，有机树脂为第二相的复合涂层，借助有机材料的低摩擦系数和高塑性，实现涂层磨损过程中的自润滑和自封孔，起到减磨和抑制腐蚀的作用；借助有机材料的高韧性，实现纳米韧化和有机材料韧化结合，强化陶瓷材料；
同时，为了解决了两种粉末在混合在一起时的出粉不均一的问题，本发明通过双路同步送粉的方法，通过改变树脂粉的送粉位置来改变其在焰流中的加热时间，解决了其在高温下长时间受热分解的问题。采用异路同步送粉的方法(其在轴向位置上有两个单独的径向送粉管，一个是紧挨喷嘴的送粉管，负责陶瓷粉的供给；另外一个是在轴向上可以调节距离的送粉嘴，负责树脂粉的供给)制备原位自封孔、自润滑涂层。
本发明采用具有润滑性的树脂颗粒(peek、ptfe等)可以填补涂层的缺陷位置。树脂颗粒在等离子喷涂制备出的陶瓷-树脂复合涂层中可以产生自润滑的作用，在高温环境中封闭填充陶瓷涂层中的孔隙或者裂纹，提高其耐磨、耐蚀性能。
本发明的有益效果为：
本发明通过等离子喷涂双路同步送粉制备的陶瓷-树脂复合涂层，避免了传统喷涂陶瓷涂层较大的脆性，有良好的耐磨耐蚀性能，树脂颗粒在陶瓷-树脂复合涂层中的自润滑作用，降低的陶瓷涂层的孔隙率，提高了陶瓷涂层的韧性。制得的陶瓷-树脂复合涂层结构致密，树脂颗粒分布弥散，还可通过控制树脂粉送粉气(n2)流量来控制陶瓷-树脂复合涂层中树脂的含量。
以实施例1-3为例，实施例1中复合涂层结构致密，无tin涂层中常有的裂纹，降低了其孔隙率；实施例2中复合涂层的腐蚀电位由单一zro2涂层的-561.9mv升高至-509mv，腐蚀电流密度由14.32μa·cm-2降低至7.65μa·cm-2；实施例3中在载荷为300n的条件下，复合涂层的磨损量与单一的al2o3涂层的磨损量相比降低了34％左右。
附图说明：
图1为双路送粉实验装置示意图；其中，图1a为双路送粉实验装置主视图；图1b为双路送粉实验装置俯视图；
图2为实施例1中得到的复合涂层sem形貌图；其中，图2a为复合涂层平面图；图2b为复合涂层的截面图；
图3为实施例2中zro2涂层与复合涂层在3.5％模拟海水中的腐蚀电位随时间的变化曲线；
图4为实施例2中复合涂层和zro2涂层的动电位极化曲线。
具体实施方式
本发明所述陶瓷粉与树脂粉为公知市售产品，陶瓷粉可以为al2o3、zro2或ti粉，粒度大小为40～70μm；树脂粉的粒度大小为50～70μm。
本发明采用的实现双送粉的装置为公知设备，如图1所示(issn：0257-8972c.mateus,s.costiletc.ceramic/fluoropolymercompositecoatingsbythermalspraying—amodificationofsurfaceproperties,surface&coatingstechnology,191(2005)108-118)。
所述的双路同步送粉指在轴向位置上有两个单独的径向送粉管，一个是紧挨喷枪，负责陶瓷粉的供给；另外一个是在轴向上可以调节距离与角度(其通过与其相连的小滑块的旋动来改变其角度)，负责树脂粉的供给；图中紧挨喷枪的为陶瓷粉送粉管，a为树脂粉送粉管与喷枪间的距离，距其距离为a的送粉管为树脂粉的送粉管；β为树脂粉送粉管与焰流的夹角；树脂粉送粉位值a为60-90mm，角度β为60°-90°。喷涂距离是喷枪与基体之间的距离，送粉位置是送粉管与喷枪间的距离。
实施例1
一种tin-peek复合涂层的制备方法，其包括：
(1)基体材料表面预处理
依次采用丙酮和乙醇洗涤45#钢基材表面，然后进行喷砂处理。喷砂处理最终获得表面粗糙度ra为3.0-5.0μm；
(2)过渡层的制备
喷涂前用喷枪对基体材料进行预热处理，预热温度为150℃，预热时间为2分钟。然后采用大气等离子喷涂设备对基材表面喷涂镍包铝过渡层，其粒径大小为60-70μm，其成分按质量百分含量为：ni：90％、al：10％。，过渡层厚度为0.1mm。
(3)在过渡层上采用双路同步送粉的方法等离子喷涂ti粉和peek粉，得到tin-peek复合涂层。涂层厚度为0.3mm。
等离子喷涂参数为：电压：70v；电流：500a；ti粉送粉气(n2)流量：0.5l/min；peek粉送粉气(n2)流量：0.3l/min；喷涂距离：90mm；主弧气氩气流量：3000l/h；辅气氮气流量：40l/min；peek粉送粉位值a为60mm，角度β为90°。
图2中a与b分别为制得复合涂层平面与截面形貌，由图中可以看出制得的复合涂层结构致密，树脂颗粒弥散分布，无tin涂层中常有的裂纹。
实施例2
一种zro2-ptfe复合涂层的制备方法，其包括：
(1)基体材料表面预处理
分别采用丙酮和乙醇洗涤45#钢基材表面，然后进行喷砂处理。喷涂前用喷枪对基体材料进行预热处理，预热温度为100℃，预热时间为3分钟。
(2)过渡层的制备
采用大气等离子喷涂设备对基材表面喷涂镍包铝过渡层，其粒径大小为60-70μm，其成分按质量百分含量为：ni：90％、al：10％。得到的过渡层厚度为0.1mm。
(3)在过渡层上采用双路同步送粉的方法等离子喷涂zro2粉和ptfe粉，得到zro2-ptfe复合涂层。涂层厚度为0.3mm。
等离子喷涂参数为：电压：70v；电流：500a；zro2粉送粉气(n2)流量：0.5l/min；ptfe粉送粉气(n2)流量：0.3l/min；喷涂距离：100mm；氩气流量：3000l/h；氮气流量：40l/min；ptfe粉送粉位值a为70mm，角度β为60°。
图3为zro2涂层与复合涂层在3.5％模拟海水中的腐蚀电位随时间的变化曲线。从图中可以看出，随着浸泡时间的延长，两种涂层的腐蚀电位都是呈下降后稳定的趋势，并且复合涂层的电位能更快的趋于稳定。从图中稳定后的电位可以看出，复合涂层的电位高于zro2涂层的电位，表明树脂的加入有利于提高涂层的耐腐蚀性能。
表1不同涂层极化曲线拟合结果
图4是复合涂层和zro2涂层的动电位极化曲线，结合图4和表1可以看出复合涂层的腐蚀电流密度小于zro2涂层，腐蚀电位高于zro2涂层，说明复合涂层的耐腐蚀性能优于zro2涂层，保护钢基体的能力更强。
实施例3
一种al2o3-ep复合涂层的制备方法，其包括：
(1)基体材料表面预处理
分别采用丙酮和乙醇洗涤45#钢基材表面，然后进行喷砂处理。喷涂前用喷枪对基体材料进行预热处理，预热温度为200℃，预热时间为2分钟。
(2)过渡层的制备
采用大气等离子喷涂设备对基材表面喷涂镍包铝过渡层，其粒径大小为60-70μm，其成分按质量百分含量为：ni：90％、al：10％。过渡层厚度为0.1mm。
(3)在过渡层上采用双路同步送粉的方法等离子喷涂al2o3粉和ep粉，得到al2o3-ep复合涂层。涂层厚度为0.3mm。
等离子喷涂参数为：电压：70v；电流：400a；al2o3粉送粉气(n2)流量：0.5l/min；ep粉送粉气(n2)流量：0.3l/min；喷涂距离：90mm；氩气流量：3000l/h；氮气流量：40l/min；ep粉送粉位值a为50mm，角度β为70°。
将实施例3得到的复合涂层进行摩擦磨损实验，实验采用采用环-块滑动对磨方式，上摩擦副为实验块，下摩擦副为经过热处理获得的硬度为55～65hrc的gcr15对磨环，摩擦副的接触方式为线摩擦，转速为200r/min，摩擦时间为30min，载荷300n。材料的耐磨性能用磨损的失重来衡量。由表2中可以看出涂层磨损失重量比al2o3涂层小，说明得到的陶瓷-树脂复合涂层具有良好的耐磨性能。
表2为实施例3al2o3-ep复合涂层的磨损失重结果
本发明未尽事宜为公知技术。