专利名称：一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层及其制备方法
技术领域：
一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层及其制备方法，涉及一种采用热喷涂技术制备氧化铜颗粒弥散分布于耐磨耐蚀陶瓷基体中的复合陶瓷涂层的方法。
背景技术：
世界海域有近2万种的附着海生物，是影响舰船零部件在海洋环境中腐蚀行为的主要因素之一。由于海生物附着引起的宏微观腐蚀，不仅增加了零部件的表面粗糙度与磨损失效，降低了零部件的使用寿命；还增加了运动的阻力，导致航速降低、能耗增加。陶瓷材料多具有离子键和共价键结构，键能高，原子间结合力强，表面自由能低， 原子间距小，堆积致密，无自由电子运动。这些特点赋予了陶瓷涂层高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热导率低和摩擦系数小等鲜明特征，因此普遍具备优异的耐热、耐磨减摩与抗盐雾腐蚀等性能，其应用领域遍及航空、航天、能源、交通、冶金、石化等工业部门，成效显著。但对于在海洋腐蚀环境下长期服役的舰船活塞杆等工件而言，还要求具备良好的抗海生物腐蚀性能，这是现有的陶瓷涂层所不具备的。抗海生物腐蚀的传统做法是在舰船零部件的外表面涂刷防污涂料，通过渗出、扩散或水解防污成分的方式达到防止海生物腐蚀的目的，虽具有毒效高且成本低的特点，但与基体的附着力低、抗摩性能差，易剥落失效，因此不适于在强摩擦使用条件下的工件上使用。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种能有效解决现有陶瓷涂层不抗海生物腐蚀而防污涂料又不抗摩擦的问题，具耐磨减摩性能的抗海生物腐蚀的陶瓷涂层及其制备方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于其涂层为由氧化铜颗粒弥散分布于陶瓷基体中形成的复合陶瓷涂层，涂层厚度为0.2-1 mm。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于所述的氧化铜颗粒为CuO、 CuO2或者二者的混合物，粒度为10 nm-50 μ m。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于所述的陶瓷基体为A1203、 Cr2O3> ZrO2^ffC, Cr3C2, TiN、Si3N4 或 MoSi2 的单相陶瓷。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于所述的陶瓷基体为 Al2O3-TiO2^ ZrO2-Y2O3^ WC-Co, Cr2O3-SiO2-TiO2、Al2O3-ZrO2 或 Si3N4-SiC 的复相陶瓷，粉末粒度范围为5-100 μ mo本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于所述的氧化铜颗粒占复合陶瓷涂层的体积百分比为50%。一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于其制备过程的步骤包括 (1)将氧化铜颗粒与陶瓷基体粉末充分混合；(2)将待涂层工件进行表面预处理；
(3)将氧化铜颗粒与陶瓷基体粉末混合而成的复合陶瓷粉末在60°C-150 °C烘干；
(4)采用热喷涂方法，复合陶瓷粉末热喷涂在工件表面；
(5)对喷涂得到的抗海生物腐蚀的陶瓷涂层进行磨抛后处理。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤(1)中的混合过程是机械球磨。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤(1)中的混合过程是团聚制粒。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤(2)中的表面预处理包括对工件进行表面清洁和表面粗化处理，工件表面是平面、曲面或波纹面；表面清洁包括丙酮除油和超声波清洗；表面粗化采取20-70目的砂料喷砂处理。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤(4)的热喷涂方法为等离子喷涂、超音速火焰喷涂或爆炸喷涂的任意一种。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于复合陶瓷涂层与基体之间为直接结合。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于复合陶瓷涂层与基体之间有一个0. 02-0. 15 mm厚的粘结过渡层。本发明的将防污涂料中普遍采用的防污成分氧化铜粉末均勻掺杂于耐磨耐蚀陶瓷粉末基体中，采用技术成熟且效率较高的热喷涂技术将混合粉末喷涂于工件表面，制备得到氧化铜颗粒弥散分布于耐磨耐蚀陶瓷基体中的复合陶瓷涂层，以显著提高涂层的抗海生物腐蚀性能，扩大陶瓷涂层在舰船零部件上的应用。本发明的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，采用热喷涂技术制备氧化铜颗粒弥散分布于耐磨耐蚀陶瓷基体中的复合陶瓷涂层，制备方法简单，成本低廉，效率高；涂层中氧化铜颗粒的分布均勻，既保持了陶瓷涂层耐磨、耐高温、抗氧化等原有特性，又具备了良好的抗海生物腐蚀性能，扩大了陶瓷涂层在舰船零部件上的应用；适于工业化生产，可望获得良好的经济效益和社会效益。
图1是本发明的Al203-13%Ti02-Cu0涂层的SEM照片。图2是本发明的Al203-13%Ti02_Cu0涂层的能谱分析图。
具体实施例方式一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其涂层为由氧化铜颗粒弥散分布于陶瓷基体中形成的复合陶瓷涂层，厚度为0. 2-1 mm，其备过程的步骤包括
(1)采用机械球磨或团聚制粒的方法，将氧化铜粉末与耐磨耐蚀陶瓷粉末充分混合。氧化铜粉末材料可以是CuO、CuO2或者二者的混合物，粉末粒度范围为10 nm-50 μ m,占混合粉末的体积百分比不大于50%。陶瓷基体材料可以是々1203、0203、&02、1(、03(2、1^5込队、 MoSi2 等单相陶瓷，也可以是 Al203-Ti02、ZrO2-Y2O3^ WC-Co, Cr2O3-SiO2-TiO2、Al2O3-ZrO2, Si3N4-SiC等复相陶瓷，粉末粒度范围为5-100 μ m。(2)对工件进行表面清洁和表面粗化处理。工件表面可以是平面也可以是曲面或波纹面；表面清洁包括丙酮除油和超声波清洗；表面粗化采取20-70目的砂料喷砂处理。(3)将复合陶瓷粉末在60°C -50 °C烘干，然后将烘干的粉末装入送粉器中。(4)设定热喷涂工艺参数，进行复合陶瓷涂层的热喷涂。热喷涂方式可以是等离子喷涂、超音速火焰喷涂或爆炸喷涂的任意一种。复合陶瓷涂层的厚度范围为0. 2-1 mm，它与基体之间可以是直接结合，也可以是有一个0. 02-0. 15 mm厚的粘结过渡层。(5)对喷涂得到的抗海生物腐蚀的陶瓷涂层进行磨抛后处理。实施例1
下面以制备抗海生物腐蚀的Al203-13%Ti&陶瓷涂层为例，说明本发明的第1实施例。在粒度为5-0 μ m的Al203_13%Ti&陶瓷粉末中，添加粒度为5-5 μ m的CuO粉末。CuO粉末占混合粉末的体积百分含量为4%。通过喷雾干燥设备进行团聚制粒，经烧结、 球化、破碎和筛分，得到粒度为10-45 μ m的复合陶瓷粉末。将不锈钢工件置于丙酮中进行超声波清洗15-0分钟，经酒精擦拭后采用20-70目的刚玉砂对工件表面进行喷砂粗化处理。将复合陶瓷粉末和45-00 μ m的喷涂粘结过渡层用Ni-20%Cr合金粉末在60°C -50 °C烘干，然后将烘干的粉末装入送粉器中。采用超音速等离子喷涂粘结过渡层和复合陶瓷层。本实施例中喷涂粘结过渡层的工艺参数为Ar 流量 3. 4-4. 2 m3/h、H2 流量0. 3-0. 5 m3/h、电流 320-400 A、电压 130-150 V、 喷距100-150 mm、送粉量35-45 g/min ；喷涂复合陶瓷层的工艺参数为Ar流量3. 2-4 m3/ h、H2 流量 0. 3-0. 5 m7h、电流 360-440 A、电压 140-160 V、喷距 80-120 mm、送粉量 25-35 g/min。粘结过渡层和复合陶瓷层的厚度范围分别为0. 06-. 12 mm和0. 3-0. 4 mm。最后对喷涂得到的复合陶瓷涂层进行磨抛后处理。制备得到的抗海生物腐蚀的Al203_13%Ti&陶瓷涂层比较致密(参见图1)，孔隙率可达0.8%，HVa3彡900，结合强度彡30 MPa;涂层中含有具备抗海生物腐蚀功能的Cu元素(参见图2)。实施例2
下面以制备抗海生物腐蚀的Cr2O3-SiO2-T^2陶瓷涂层为例，说明本发明的第2实施例。在粒度为5 25 μπι的Cr2O3-SiO2-TiO2陶瓷粉末中，添加粒度为5-15 μ m的CuO 粉末。CuO粉末占混合粉末的体积百分含量为5%。通过喷雾干燥设备进行团聚制粒，经烧结、球化、破碎和筛分，得到粒度为20-45 μ m的复合陶瓷粉末。将不锈钢工件置于丙酮中进行超声波清洗15-30分钟，经酒精擦拭后采用20-70 目的刚玉砂对工件表面进行喷砂粗化处理。将复合陶瓷粉末和45-100 μ m的喷涂粘结过渡层用Ni-20%Cr合金粉末在60°C -150 °C烘干，然后将烘干的粉末装入送粉器中。采用超音速火焰喷涂粘结过渡层，大气等离子喷涂复合陶瓷层。本实施例中喷涂粘结过渡层的工艺参数为02流量800-1000 1/min、煤油流量对-28 1/min、载气流量 8-10 1/min、喷距；340-370 mm、送粉量50-60 g/min ；喷涂复合陶瓷层的工艺参数为Ar流量 3. 6-4 m3/h、电流 550-650 A、电压 70-80 V、喷距 100-140 mm、送粉量 20-30 g/min。粘结过渡层和复合陶瓷层的厚度范围分别为0. 06-0. 12 mm和0. 2-0. 4 mm。最后对喷涂得到的复合陶瓷涂层进行磨抛后处理，即得到抗海生物腐蚀的Cr2O3-SiO2-T^2陶瓷涂层。
权利要求
1.一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于其涂层为由氧化铜颗粒弥散分布于陶瓷基体中形成的复合陶瓷涂层，厚度为0.2-1 mm。
2.根据权利要求1所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于所述的氧化铜颗粒为CuO、CuO2或者二者的混合物，粒度为10 nm-50 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于所述的陶瓷基体为 A1203、Cr2O3> ZrO2^ffC, Cr3C2, TiN、Si3N4 或 MoSi2 的单相陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于所述的陶瓷基体为 Al203-Ti02、&02-Y203、WC-Co、Cr2O3-SiO2-TiOyAl2O3-^O2 或 Si3N4-SiC 的复相陶瓷，粉末粒度范围为5-100 μπι。
5.根据权利要求1所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层，其特征在于所述的氧化铜颗粒占复合陶瓷涂层的体积百分比为50%。
6.一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于其制备过程的步骤包括(1)将氧化铜颗粒与陶瓷基体粉末充分混合；(2)将待涂层工件进行表面预处理；(3)将氧化铜颗粒与陶瓷基体粉末混合而成的复合陶瓷粉末在60°C-150 °C烘干；(4)采用热喷涂方法，复合陶瓷粉末热喷涂在工件表面；(5)对喷涂得到的抗海生物腐蚀的陶瓷涂层进行磨抛后处理。
7.根据权利要求6所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤 (1)中的混合过程是机械球磨。
8.根据权利要求6所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤(1)中的混合过程是团聚制粒。
9.根据权利要求6所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤(2)中的表面预处理包括对工件进行表面清洁和表面粗化处理，工件表面是平面、曲面或波纹面；表面清洁包括丙酮除油和超声波清洗；表面粗化采取20-70目的砂料喷砂处理。
10.根据权利要求6所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤(4)的热喷涂方法为等离子喷涂、超音速火焰喷涂或爆炸喷涂的任意一种。
11.根据权利要求6所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于复合陶瓷涂层与基体之间为直接结合。
12.根据权利要求6所述的一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层的制备方法，其特征在于复合陶瓷涂层与基体之间有一个0.02-0. 15 mm厚的粘结过渡层。
全文摘要
本发明涉及一种抗海生物腐蚀的陶瓷涂层及其制备方法，其特征在于其涂层为由氧化铜颗粒弥散分布于陶瓷基体中形成的复合陶瓷涂层，厚度为0.2-1mm。采用热喷涂方法制备的由氧化铜颗粒弥散分布于耐磨耐蚀陶瓷基体中的兼具耐磨减摩与抗海生物腐蚀的新型复合陶瓷涂层，解决了现有陶瓷涂层不抗海生物腐蚀而防污涂料又不抗摩擦的问题。本发明制备的抗海生物腐蚀陶瓷涂层不仅保持了陶瓷涂层耐磨、耐高温、抗氧化等原有特性，同时由于氧化铜颗粒的加入显著提高了涂层的抗海生物腐蚀性能，扩大了陶瓷涂层在舰船零部件上的应用。具有成本低、效率高的特点，适于工业化生产。
文档编号C23C4/10GK102181815SQ20111010022
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者万伟伟, 于月光, 任先京, 冀晓鹃, 国俊丰, 张鑫, 章德铭, 马江虹 申请人:北京矿冶研究总院