一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法，α-Al2O3浆料溶解于水中，通过超声波振动方式使其渗透进涂层孔隙中，干燥后通过沸水加热的方式使纳米Al2O3在涂层中形成Al2O3·H2O，体积膨胀后达到封孔效果。本封孔方法能显著提高涂层的耐腐蚀性能。并且用本方法进行封孔的涂层，在磨削加工过程中，不会出现传统树脂基封孔剂堵塞砂轮并导致砂轮磨削效率降低、磨削温度上升的情况。
【专利说明】一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法和应 用
【技术领域】
[0001] 本发明属于表面防护【技术领域】，更加具体地说，涉及一种采用纳米Al2O3进行热喷 涂涂层封孔的方法。
【背景技术】
[0002] 热喷涂技术是一种常用的表面工程技术，随着生产实际对工件性能要求的不断提 高，热喷涂技术得到了飞速发展和广泛应用。热喷涂是将熔融或半熔融状态微粒以高速冲 击到基体表面，形成具有一定特性涂层的表面处理方法。这种涂层是由相互叠加的微粒构 成，叠加的微粒之间必然存在孔隙，尤其是贯穿性孔隙的存在。在腐蚀环境中，孔隙会引入 腐蚀元素，腐蚀介质就可能通过穿孔到达被保护基体的表面，使涂层与基体发生化学或电 化学侵蚀，腐蚀产物在界面积累，使热喷涂层龟裂、剥落，导致涂层失效，并且孔隙的存在将 会影响涂层的结合强度。
[0003] 目前国内外均采用封孔剂对热喷涂涂层进行封孔处理，常采用的封孔剂为树脂基 材料。这种封孔剂渗透性较好、韧性高，如Sugehis、Liscano等分别以苯酚树脂、环氧树 脂为封孔剂对热喷涂涂层进行封孔，结果表明，苯酚树脂及环氧树脂明显降低涂层孔隙率 (由13. 19%分别降为3. 17%和5. 13%)。但是，有机类封孔剂对环境污染比较严重且不耐高 温。更重要的是在砂轮磨削加工陶瓷涂层的过程中，树脂基封孔剂会堵塞砂轮，降低砂轮锋 利程度，从而使得磨削升温情况严重，影响陶瓷涂层的加工质量。
【发明内容】
[0004] 鉴于以上【背景技术】中的原因，本发明公开一种采用纳米Al2O3进行热喷涂涂层孔 隙封闭的封孔方法，以纳米Al 2O3材料作为封孔剂，耐高温能力强且性能稳定，其封孔效果 与有机类封孔剂类似，并可避免有机类封孔剂在磨削加工过程中产生的堵塞砂轮的问题， 具有一定的现实意义。
[0005] 本发明技术目的通过下述技术方案予以实现：
[0006] -种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法，将a -Al2O3均匀分散在水 中，通过超声波振动方式使其渗透进涂层孔隙中，干燥后通过沸水加热的方式使Al 2O3在涂 层中形成Al2O3 · H2O,体积膨胀后达到封孔效果。
[0007] 其中所述a -Al2O3固体颗粒的粒度为20_30nm，选择在水中进行均匀分散，在分散 体系中，a -Al2O3质量含量为10-20% (即a -Al2O3质量与a -Al2O3和水质量之和的比例)， 或者选择市售的纳米a -Al2O3水溶性浆料；在使用前需充分搅拌水溶液，避免出现沉淀物 或者团聚。
[0008] 在进行超声波振动时，选择将涂层试样完全浸泡在均匀分散有a -Al2O3的水中， 进行超声波振动，选择温度为30- 40°C，频率设为70- 80Hz，振动时间为20- 40分钟，然 后进行干燥，例如80°C条件下干燥1小时。并可根据Ci-Al2O3的实际需要，选择重复进行 超声波振动，以使更多的a -Al2O3渗透进涂层孔隙中，例如3- 5次。
[0009] 在进行干燥后，将涂层试样完全置于蒸馏水中，在KKTC条件下水煮至少1小时， 优选90- 120min，以使Al2O3在涂层中达到封孔效果。
[0010] 在本发明技术方案中，选择在300M超高强钢表面制备涂层，涂层种类为 WC10C〇4Cr金属陶瓷涂层（按照质量百分数计，由86%WC，10%C〇和4%Cr组成)，涂层厚度在 200-300 μ m，超音速火焰（HVOF)喷涂参数如下：喷涂设备为美国TAFA公司生产的JP5000 型超音速火焰喷涂系统。喷涂过程中煤油流量为23L/h，氧气流量为55000slph，送粉气流 量为12L/min，喷涂距离为380mm，喷涂速度为300mm/s。控制喷涂次数，使得涂层厚度在 200 _300 u m〇 toon] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0012] (1)利用纳米Al2O3对热喷涂碳化钨涂层进行封孔，耐腐蚀性能优于未封孔涂层样 品。经过酸性盐溶液浸泡192h后，纳米Al 2O3封孔后涂层样品的增重质量为未封孔涂层样 品增重质量的16. 7%。经过电化学极化试验分析，未封孔涂层样品的自腐蚀电位为-649mV， 自腐蚀电流密度为10. 〇μ A/cnT2 ;纳米Al2O3封孔后涂层样品的自腐蚀电位为-506mV，自腐 蚀电流密度为δ.ΟΙμΑ/οπΓ 2。
[0013] (2)利用纳米Al2O3对热喷涂碳化钨涂层进行封孔，磨削加工过程中的升温情况 低于传统环氧树脂封孔的涂层。磨削120s后，利用纳米Al 2O3封孔后涂层样品的温度升高 85. 5°C，利用传统环氧树脂封孔后涂层样品的温度升高117. 5°C。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为未封孔处理的WC10Co4Cr涂层样品和使用纳米Al2O3封孔处理的WC10Co4Cr 涂层样品经过酸性盐水浸泡后的质量变化曲线，其中方块曲线为未封孔处理的WC10C〇4Cr 涂层样品，三角曲线为使用纳米Al2O3封孔处理的WC10C〇4Cr涂层样品。
[0015] 图2为未封孔处理的WC10C〇4Cr涂层样品经过浸泡实验后的界面腐蚀情况的扫描 电镜照片(放大倍数为100倍)。
[0016] 图3为未封孔处理的WC10C〇4Cr涂层样品经过浸泡实验后的界面腐蚀情况的扫描 电镜照片(放大倍数为1000倍)。
[0017] 图4为经过纳米Al2O3封孔处理后WC10Co4Cr涂层样品经过浸泡实验后的界面腐 蚀情况的扫描电镜照片(放大倍数为100倍)。
[0018] 图5为经过纳米Al2O3封孔处理后WC10C〇4Cr涂层样品经过浸泡实验后的界面腐 蚀情况的扫描电镜照片(放大倍数为1000倍)。
[0019] 图6为300M钢样品、喷涂WC10Co4Cr涂层的300M钢样品和纳米Al2O 3封孔处理后 涂层样品的极化曲线图。
[0020] 图7为两种封孔处理后涂层样品磨削加工后的升温情况柱状图，其中a为纳米 Al2O3封孔处理后涂层样品，b为传统环氧树脂封孔处理后涂层样品。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合具体实施例进一步对本发明的封孔方法进行详细说明。选用北京博宇高 科新材料技术有限公司生产的a-Al 2O3分散液提供纳米CI-Al2O3。选用300M超高强度钢， 牌号为 40CrNi2Si2MoVA。
[0022] 首先选择在300M超高强钢表面制备涂层，涂层种类为WC10C〇4Cr金属陶瓷涂层 (按照质量百分数计，由86%WC，10%C〇和4%Cr组成)，涂层厚度在200-300 μ m，超音速火焰 (HVOF)喷涂参数如下：喷涂设备为美国TAFA公司生产的JP5000型超音速火焰喷涂系统。 喷涂过程中煤油流量为23L/h，氧气流量为55000slph，送粉气流量为12L/min，喷涂距离为 380mm，喷涂速度为300mm/s。控制喷涂次数，使得涂层厚度在200-300 μ m。
[0023] 其次，选用北京博宇高科新材料技术有限公司生产的a -Al2O3分散液，a -Al2O3固 体颗粒的粒度为20-30nm，a -Al2O3质量含量为10-20%，在使用前需充分搅拌水溶液，避免 出现沉淀物或者团聚。
[0024] 第三，选择将涂层试样完全浸泡在均匀分散有a -Al2O3的水中，进行超声波振动 并在80°C条件下干燥1小时，将涂层试样完全置于蒸馏水中，在KKTC条件下水煮，以使 Al2O3在涂层中达到封孔效果，具体工艺如下表所示
[0025]
【权利要求】
1. 一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法，其特征在于，将a-A120 3均 匀分散在水中，通过超声波振动方式使其渗透进涂层孔隙中，干燥后通过沸水加热的方式 使A1203在涂层中形成A1203 ? H20,体积膨胀后达到封孔效果。
2. 根据权利要求1所述的一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法，其特 征在于，所述a -A1203固体颗粒的粒度为20-30nm，选择在水中进行均匀分散，在分散体系 中，a -A1203质量含量为10-20% (即a -A1203质量与a -A1203和水质量之和的比例)，在使 用前需充分搅拌水溶液，避免出现沉淀物或者团聚。
3. 根据权利要求1所述的一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法，其特 征在于，在进行超声波振动时，选择将涂层试样完全浸泡在均匀分散有a -A1203的水中，进 行超声波振动，选择温度为30- 40°C，频率设为70- 80Hz，振动时间为20- 40分钟，然后 进行干燥，例如80°C条件下干燥1小时。
4. 根据权利要求1所述的一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法，其特 征在于，根据a-A1203的实际需要，选择重复进行超声波振动，以使更多的a _A1203渗透进 涂层孔隙中，例如3- 5次。
5. 根据权利要求1所述的一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方法，其特 征在于，在进行干燥后，将涂层试样完全置于蒸馏水中，在l〇〇°C条件下水煮至少1小时，优 选90- 120min，以使A1203在涂层中达到封孔效果。
6. 根据权利要求1所述的一种采用纳米三氧化二铝进行热喷涂涂层封孔的方 法，其特征在于，所述热喷涂涂层为利用超音速火焰喷涂在300M超高强钢（牌号为 40CrNi2Si2MoVA)表面制备涂层，所述涂层按照质量百分数计，由86%WC，10%C〇和4%Cr组 成，涂层厚度在200-300 ii m。
7. 纳米三氧化二铝在热喷涂涂层封孔中的应用，其特征在于，所述a _A1203固体颗粒 的粒度为20-30nm，将a -A1203均匀分散在水中，通过超声波振动方式使其渗透进涂层孔隙 中，干燥后通过沸水加热的方式使A1203在涂层中形成A120 3 ? H20,体积膨胀后达到封孔效 果。
8. 根据权利要求7所述的纳米三氧化二铝在热喷涂涂层封孔中的应用，其特征在于， 在进行超声波振动时，选择将涂层试样完全浸泡在均匀分散有a -A1203的水中，进行超声 波振动，选择温度为30- 40°C，频率设为70- 80Hz，振动时间为20- 40分钟，然后进行干 燥，例如80°C条件下干燥1小时。
9. 根据权利要求7所述的纳米三氧化二铝在热喷涂涂层封孔中的应用，其特征在于， 根据a-A1203的实际需要，选择重复进行超声波振动，以使更多的a _A1203渗透进涂层孔隙 中。
10. 根据权利要求7所述的纳米三氧化二铝在热喷涂涂层封孔中的应用，其特征在 于，所述热喷涂涂层为利用超音速火焰喷涂在300M超高强钢（牌号为40CrNi2Si2M〇VA) 表面制备涂层，所述涂层按照质量百分数计，由86%WC，10%C〇和4%Cr组成，涂层厚度在 200_300 u m〇
【文档编号】C23C4/18GK104419889SQ201310398405
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】丁坤英, 王立君 申请人:天津大学