一种智能复合涂层器件及其制备方法、应用

本发明涉及智能传感涂层，涉及na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层在复合涂层中的应用、一种复合涂层、一种具有智能复合涂层的器件及其制备方法，尤其涉及na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层在复合涂层中的应用、一种复合涂层、一种na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3智能复合涂层器件及其制备方法。

背景技术：

1、表面涂层是再制造零件的主要载体，对零件的服役寿命有着决定性作用。表面工程技术是有效的表面强化和延寿途径，可以有效改善机械零件表面的性能。目前表面涂层主要侧重在传统的耐磨、耐腐蚀性能的研究，随着科技的发展，传统材料的研究难以跟上科技的迭代更新。在新时代科技发展中，对机械零件损伤行为进行实时监测已经逐渐被研究者们所关注，这种监测方式能够有效延长机械零件寿命，避免出现重大事故以及经济损失。

2、目前传统的监测方法多是基于振动与噪声信号进行诊断，但由于机械零件的工作环境复杂以及干扰信号强，都会使得特征信息变得相对微弱、阻抗高、信噪比大、信号失真，难以准确地收集到所需的特征信号，无法快速、准确地对零件损伤行为做出判断，更加无法实现实时、在线和动态的“准确掌握”。由于智能传感单元可以实时监测零件的损伤情况，所以，引入智能传感单元成为了业内研究的首选目标。当前常用的智能传感单元为压电传感器，在应用过程中需要将压电传感器粘贴到零件表面，但由于一些机械零件的工作环境恶劣复杂，导致传感器与设备之间的结合程度较差，影响传递信号，导致监测精度较差、甚至出现剥离脱落的情况。

3、因此，如何开发一种高质量的监测方法，解决传统的监测方式和现有的压电传感器存在的上述问题，已成为业内诸多研究人员广为关注的焦点之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层在复合涂层中的应用、一种复合涂层、一种具有智能复合涂层的器件及其制备方法，特别是一种na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3智能复合涂层器件。本发明提供的智能复合涂层能够准确有效地获取器件运行过程信号，实现对金属零部件的在线实时监测，提高了零件的使用效率，节约成本。

2、本发明提供了na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层在复合涂层中的应用；

3、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层具体为复合涂层中的传感层。

4、优选的，所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层的厚度为150～250μm；

5、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层的涂层孔隙率小于等于2％；

6、所述复合涂层还包括复合在所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层上的镍基金属涂层；

7、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层的形成方法包括超音速等离子喷涂法。

8、优选的，所述镍基金属涂层具体为nicrcoaly过渡层；

9、所述镍基金属涂层的厚度为100～150μm；

10、所述镍基金属涂层的形成方法包括超音速等离子喷涂法；

11、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层进行极化处理后，得到具有压电效应的涂层。

12、优选的，所述镍基金属涂层用于增强镍基金属涂层和基底之间的结合力，和/或，镍基金属涂层和na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层之间的结合力；

13、所述镍基金属涂层和基底之间的结合力为55～65mpa；

14、所述镍基金属涂层和na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层之间的结合力为30～45mpa；

15、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3具有钙钛矿陶瓷结构。

16、本发明提供了一种复合涂层，所述复合涂层包括na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层以及复合在所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层上的镍基金属过渡层。

17、本发明还提供了一种具有智能复合涂层的器件，包括：基底；

18、复合在基底上的镍基金属过渡层；

19、复合在镍基金属过渡层上的na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3中间感知层；

20、复合在na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3中间感知层上的电极。

21、优选的，所述智能复合涂层具体为具有压电传感器功能的智能复合涂层；

22、所述基底具体为具有粗糙表面的基底；

23、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3中间感知层为经过极化处理后的na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层；

24、所述基底包括待监测的零部件基体；

25、所述基底作为第一电极，所述复合在所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3中间感知层上的电极为第二电极；

26、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3中间感知层的矫顽场为50～73kv/cm；

27、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3中间感知层为无铅压电陶瓷涂层。

28、本发明还提供了一种如上述技术方案任意一项所述的具有智能复合涂层的器件的制备方法，包括以下步骤：

29、1)对基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在上述基底表面形成镍基金属过渡层；

30、2)将na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3粉料经过造粒后得到球形粉料，再将球形粉料采用超音速等离子喷涂法在所述镍基金属过渡层表面形成na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层，然后在陶瓷涂层上设置电极，最后进行极化处理后，得到具有na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3中间感知层的智能复合涂层的器件。

31、优选的，所述粗糙化预处理的方式包括喷砂工艺；

32、所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为90～100l/min；

33、所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，氢气流量为20～25l/min；

34、所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电压为130～150v；

35、所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电流为400～430a；

36、所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂距离为90～100mm；

37、所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3粉料由bio3、tio2、na2co3以及k2co3粉末经混合烧结后得到；

38、所述烧结的温度为1050～1150℃；

39、所述球形粉料的粒径为30～80μm。

40、优选的，所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为70～90l/min；

41、所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，氢气流量为10～15l/min；

42、所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电压为90～100v；

43、所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电流为300～320a；

44、所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂距离为80～100mm；

45、所述极化处理的温度为50～100℃；

46、所述极化处理的时间为15～45min。

47、所述极化处理过程中的电压起止范围为0～2500v。

48、本发明提供了na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层在复合涂层中的应用；所述na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层具体为复合涂层中的传感层。本发明还提供了一种具有智能复合涂层的器件及其制备方法。与现有技术相比，本发明研究认为，目前通过在零件表面粘贴压电传感器，由于结合强度较差，导致收集信号差甚至出现剥离脱落的情况，难以应用在复杂的工作环境。而虽然也有一些压电涂层的技术方案，但制备的涂层质量较差进而影响涂层性能，而且还会存在矫顽场较高，导致涂层的压电性能较差等问题。

49、基于此，本发明特别将na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层作为传感层应用在复合涂层中，并且将这种智能复合涂层复合在零部件表面，得到了具有智能复合涂层的器件。本发明改变了传统的监测方法的安装或制造形式，传统的对零件疲劳损伤失效的判断主要依靠器件服役工作摩擦噪声和明显的机械振动等各种信号的采集分析。同时针对目前的压电传感器而言，以植入式或埋入式压电传感器等内置式或者表面粘贴式为主，其中植入式或埋入式压电传感器或改变原始零部件的原有整体结构并改变其力学性能，会对其整体的服役性能产生影响；粘贴式压电传感器会由于自身粘贴条件或零部件自身工况的影响导致使用的效率和寿命受到影响。而本发明所设计的智能复合涂层能直接在零部件表面制备并实现其功能，同时零件与表面传感层的紧密结合，避免在使用过程中出现剥离等现象，也不会改变原始零部件的整体结构。本发明提供的智能涂层能利用压电材料的压电效应实现对零件的状态的健康监测，提供了一种新的智能在线监测方案。

50、本发明提供的具有na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3涂层的智能复合涂层，其中过渡层nicrcoaly涂层及其工艺参数，增强了涂层与基体之间的结合强度，避免出现结合较差、涂层剥离的现象，而且通过陶瓷涂层的制备及参数，能够有效的沉积出致密且具有一定厚度的na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3陶瓷涂层，同时k0.5bi0.5tio3的引入，使得na0.5bi0.5tio3-k0.5bi0.5tio3涂层的极化难度降低，有利于涂层的压电性的提高。而且本发明进一步通过先制备均匀球形粉粒和优化喷涂参数来提升涂层质量，喷涂过程中减少成形后的未熔颗粒，降低裂纹和孔隙等缺陷，从而整体提升涂层质量，同时优化的喷涂工艺参数，能够控制粉末在喷枪内的滞留时间，减少热应力造成的物质分解。

51、本发明提供的智能复合涂层，具有压电性能实现监测能力，而且加强了涂层与基体之间的紧密结合，避免出现涂层剥离等现象，避免了与压电传感器与零件结合强度较差的问题。本发明可以应用基体为金属基底，适用于较高强度的运动零件，可以为空压机、蒸汽涡轮机、泵的运动零件，还可以为重载齿轮、轴、销类零件等。