一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法与流程

本发明涉及涂层制备领域，尤其涉及一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法。

背景技术：

在涂层制备领域，涂层与基体的结合力是影响涂层使用性能最重要的指标。一般涂层失效的主要形式表现为涂层开裂和脱落。而产生上述失效形式的主要原因在于涂层与基体之间的结合力不足。提高涂层结合力的方式主要有：1）增加接触面积，采用机械方法或电化学刻蚀方法增大金属基体表面粗糙度，也能提高结合力；2）采用最小错配，当基体与涂层晶格常数和点阵常数越接近，二者在结合的时候匹配度越高，结合力越好；3）涂层梯度生长可通过控制参量的变化，使涂层达到梯度生长的效果，可有效改善涂层成分的突变带来的应力变化，极大减小涂层的残余应力，有利于提高涂层与基体的结合力；4）加入塑型中间层。通涂层单纯的包含涂层与基体两部分，当二者特性不匹配时，基体到涂层之间材料性质的突变，导致涂层与基体的结合力大大降低，引入过渡层（中间层），可减小由材料突变带来的应力变化，提高结合力。

本发明提供的一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法，将与待制备涂层材料晶格常数和点阵常数相同或者相近的纳米颗粒分散于液体介质中，并通过泵将纳米颗粒和液体介质的混合物输送到工具和基体之间，然后利用超声冲击的方式，将纳米颗粒镶嵌在基体材料表面，同时形成粗化层。此方式不仅能在基体表面形成粗化层，增加基体与涂层的接触面积，而且在基体表面牢固镶嵌了与待制备涂层材料晶格常数和点阵常数相同或者相近的纳米颗粒，结合力将进一步提高。

技术实现要素：

本发明针对当前涂层结合力不足的情况，提出了一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法，将与待制备涂层材料晶格常数和点阵常数相同或者相近的纳米颗粒分散于液体介质中，并通过泵将纳米颗粒和液体介质的混合物输送到工具和基体之间，利用超声冲击的方式，将与待制备涂层材料晶格常数和点阵常数相同或者相近的纳米颗粒镶嵌在基体材料表面，同时形成粗化层，进而提高涂层结合力。

为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法。其特征在于：

1）将与待制备涂层材料晶格常数和点阵常数相同或者相近的纳米颗粒均匀分散在液体介质中，并通过搅拌器持续搅拌纳米颗粒与液体介质的混合物，使纳米颗粒保持分散悬浮状态，利用泵将纳米颗粒与液体介质的混合物输送到工具和基体之间；

2）将硬质颗粒固结在工具表面，通过换能器将超声电源的能量转换为机械振动，并通过变幅杆将工具振动幅度放大，从而带动工具表面固结的硬质颗粒冲击基体表面，使纳米颗粒牢固镶嵌在基体表面；

3）去除基体表面残留的杂质，然后在表面镶嵌有纳米颗粒的基体表面制备涂层。

所述的纳米颗粒的粒径在1nm～100nm之间；

所述的微米级硬质颗粒的粒径为50μm～500μm；

所述的超声振动的频率为16khz～25khz，工具振幅为0.01mm～0.1mm；

所述的硬质颗粒的莫氏硬度为8～10，优选为金刚石、立方碳化硼、碳化硅、刚玉或氧化锆；

所述的纳米颗粒与液体介质的混合物，纳米颗粒和液体介质的质量分数0.5%～5%；

所述的液体介质的粘度小于3mpa•s，优选为去离子水和乙醇。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果

1．本发明提供的一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法，操作方便，成本低，在形成粗化层，增加接触面的同时，还可在基体表面牢固镶嵌与待制备涂层材料晶格常数和点阵常数相同或者相近的纳米颗粒材料，能有效提高涂层结合力；

2．本发明提供的一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法，不存在宏观作用力和明显的温升，对基体性能的影响小；

3．本发明提供的一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法，适用范围广，能运用于各种涂层结合力的提高。

附图说明

图1为基体表面镶嵌纳米颗粒原理图

图中，1.超声电源，2.换能器，3.变幅杆，4.工具，5.硬质颗粒，6.纳米颗粒，7.基体，8.泵，9.搅拌器，10.液体介质。

具体实施方式

实施例

下面结合附图1对本发明做进一步详细描述：

一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法，包括以下步骤：

1.以45钢为基体(7)，对其表面进行抛光和打磨，并清洗干净；

2.纳米颗粒(6)为粒径20nm的铜颗粒，液体介质(10)为去离子水，将纳米颗粒(6)10g与液体介质(10)1000g均匀混合，并利用搅拌器(9)以1000rpm的速度持续搅拌；通过泵(8)将混合物输送到工具(4)和基体(7)之间，；

3.硬质颗粒(5)为粒径300μm的金刚石颗粒，将其固结在工具(4)表面，超声电源(1)的频率为20khz，通过换能器(2)转换为机械振动，同时经变幅杆(3)将工具(4)振幅放大为0.05mm，单个区域作用时间1min；

4.利用超声清洗机对处理后的基体(7)进行清洗5分钟，并利用真空烘箱烘干；

5.利用电镀的方式，在基体(7)实现铜涂层的制备，厚度为20μm。

对最终的镀层进行拉伸剥离实验，测试涂层结合力。测试结果表明，在相同条件下，利用本发明提供的方法获得的涂层结合力提高25%以上。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于超声冲击提高涂层结合力的方法。首先，将与待制备涂层材料晶格常数和点阵常数相同或者相近的纳米颗粒与液体均匀混合，并通过泵将混合物输送到工具和基体之间；将硬质颗粒固结在工具表面，通过超声系统带动工具冲击基体表面，在此过程中，部分纳米颗粒将在硬质颗粒的冲击作用下牢固镶嵌在基体表面，同时在基体表面形成粗化层；然后去除基体表面残留的杂质；最后在表面镶嵌有纳米颗粒的基体材料表面制备涂层。本发明提供的方法不仅能在基体表面形成粗化层，增加基体与涂层的接触面积，而且可在基体表面镶嵌与待制备涂层材料晶格常数和点阵常数相同或者相近的纳米颗粒，结合力将进一步提高，且适用范围广。

技术研发人员：张伟;曹中炫;胡安锴;唐修宏;刘麟;杨璐;乔鼎;赵美玲;任雪倩;张光耀
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2018.12.12
技术公布日：2019.02.22