一种热喷涂用TiO2-CNTs纳米复合粉体及其涂层的制备方法技术

一种热喷涂用TiO2-CNTs纳米复合粉体及其涂层的制备方法属于热喷涂领域。本发明专利技术为克服传统TiO2热喷涂涂层的缺点，基于CNTs的优异减摩耐磨性能，制备了一种全新的热喷涂粉末体系和涂层体系——TiO2-CNTs纳米复合粉末及其等离子喷涂层。最后，通过摩擦磨损试验对比了TiO2-3wt％CNTs纳米复合涂层(简称TiO2-CNTs涂层)和引入12wt％Al2O3第二相来强化TiO2复合涂层(简称TiO2-Al2O3涂层)的摩擦系数和磨损量，证实本发明专利技术所述新涂层具有更为优异的摩擦学性能。

【技术实现步骤摘要】

一种热喷涂用TiO2-CNTs纳米复合粉体及其涂层的制备方法，属于热喷涂领域。
技术介绍
等离子喷涂技术具有热源温度高、可喷涂材料种类多、射流速度快、沉积效率高和对工件热影响小等诸多优点。其所制备的陶瓷涂层有耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优良性能，在航空航天、装备再制造、轻工业和汽车工业等领域的数百种零件的制造和修复上有着广泛的应用。其中，TiO2涂层硬度适中，耐磨损、耐腐蚀性能较好，常被用于中等载荷下机械零部件表面的防护，例如轴承套,泵密封和发动机汽缸内壁的强化和修复等。但是，与其它陶瓷涂层(例氧化铝)相比，TiO2涂层的硬度、断裂韧性与弹性模量等性能较差，脆性较大。碳纳米管(CNTs)具有高的长径比和超强力学性能，弹性模量平均值为1.8TPa，是钢的100倍，弯曲强度为14.2GPa，所存应变能高达100keV，而密度仅为钢的1/6。它还能够通过调整自身结构即出现五边形和七边形来释放应力，表现出良好的自润滑性能。目前，已经成为增强涂层性能理想的候选材料。在热喷涂领域中，将CNTs作为增强相来改善涂层服役性能已经得到了较深入的研究。目前，这种涂层体系主要分为两大类：CNTs强化金属基纳米复合涂层(即MMC-CNTs涂层)和CNTs强化陶瓷基纳米复合涂层(即CMC-CNTs涂层)。(1)MMC-CNTs涂层。现有研究中，大多通过球磨法、喷雾干燥或化学气相沉积(CVD)原位生长等纳米复合粉体制备工艺，并运用大气等离子喷涂技术、超音速火焰喷涂技术和冷喷涂技术制备Al-CNTs、Al-Si-CNTs、Cu-CNTs纳米复合涂层，进而显著改善涂层的众多力学性能(屈服强度、拉伸强度、导热性能、弹性模量等)。(2)CMC-CNTs涂层。目前该类涂层研究最多的是Al2O3-CNTs涂层，主要通过球磨法、喷雾干燥法或CVD原位生长制备粉体，并运用等离子喷涂技术进行制备，使涂层的断裂韧性和摩擦学等性能得到提升。汪刘应等采用超声共混法或机械研磨法制备粉体，接着通过微弧等离子喷涂技术制备了Al2O3(/SiC)-TiO2-CNTs涂层，用以提高其耐高温、吸波性能或电磁特性等。此外，CNTs还能用来改善羟基磷灰石涂层(即HA-CNTs涂层)的生物相容性和摩擦学性能，提高MAS(堇青石)-CNTs涂层的吸波性能等。这些研究都充分证明了CNTs在热喷涂涂层强化改性中具有重要研究价值和应用背景。
技术实现思路
然而，到目前为止，还没有相关专利或文献报道过TiO2-CNTs纳米复合热喷涂粉体及其涂层的制备。本专利技术为克服传统TiO2热喷涂涂层的缺点，基于CNTs的优异减摩耐磨性能，制备了一种全新的热喷涂粉末体系和涂层体系——TiO2-CNTs纳米复合粉末及其等离子喷涂层。最后，通过摩擦磨损试验对比了TiO2-3wt％CNTs纳米复合涂层(简称TiO2-CNTs涂层)和引入12wt％Al2O3第二相来强化TiO2复合涂层(简称TiO2-Al2O3涂层)的摩擦系数和磨损量，证实本专利技术所述新涂层具有更为优异的摩擦学性能。TiO2-CNTs纳米复合涂层的制备流程主要包括两步：第一步是先后采用超声分散和喷雾干燥法制备TiO2-CNTs纳米复合粉体；所制得TiO2-CNTs纳米复合粉体的粒径范围主要集中在20到80μm之间。第二步是用等离子喷涂技术制备TiO2-CNTs纳米复合涂层。一种热喷涂用粉末，其特征在于：由TiO2和CNTs粉末组成，两种物质的重量百分比分别为97wt.％，3wt.％。一种热喷涂涂层的制备方法，先用超声分散技术制备浆料，再用喷雾干燥法制备热喷涂用纳米复合粉体，最后采用等离子喷涂技术制备涂层，其特征在于：浆料中混合粉末、去离子水和粘结剂PVA的重量百分比分别为30wt.％，68.5wt.％和1.5wt.％；混合粉末由TiO2和CNTs粉末组成，两种物质的重量百分比分别为97wt.％，3wt.％；含混合粉末的浆料在超声反应器连续超声分散3小时，频率45Hz，温度50℃；超声过程中，在浆料中加入含量为总重0.5wt.％的分散剂SND6800；喷雾干燥参数如下：等离子喷涂工艺参数如下：本专利技术相比于传统的Al2O3第二相强化的TiO2基复合涂层,TiO2-CNTs纳米复合涂层具有更为优异的摩擦学性能(即更低的摩擦系数和更高的耐磨性)。附图说明图1nano-TiO2和MWCNT的SEM图图2(a)TiO2-CNTs纳米复合粉体及其截面的SEM图(b)粉体内部CNTs分布的SEM图(c)TiO2-CNTs纳米复合粉体的激光粒径分布图图3TiO2-CNTs纳米复合涂层截面及局部放大的SEM图图4(a)传统熔融破碎型TiO2-Al2O3粉体的SEM图(b)TiO2-Al2O3涂层截面的SEM图(c)TiO2-Al2O3粉体的激光粒径分布图图5两种涂层摩擦系数曲线随时间的变化关系图6TiO2-Al2O3涂层和TiO2-CNTs涂层磨痕的轮廓曲线图图7TiO2-Al2O3涂层磨痕区域的SEM图图8TiO2-CNTs涂层磨痕区域的SEM图具体实施方式1超声分散和喷雾干燥法制备TiO2-CNTs纳米复合粉体纳米TiO2的平均粒径为60nm，多壁CNTs(MWCNTs)的管径为40～60nm，长度小于2μm(如图1)。超声分散技术制备浆料：(1)将纳米氧化钛粉末和MWCNTs按照97wt.％，3wt.％的重量百分比进行掺杂混合，得到两种物质的混合粉末；(2)将该混合粉末、去离子水和粘结剂PVA(聚乙烯醇)分别按照30wt.％，68.5wt.％和1.5wt.％的重量百分比进行搅拌制成浆料；(3)为了保证CNTs在浆料中均匀分散，将浆料置于超声反应器中。连续超声分散3小时，频率45Hz，温度50℃；(4)超声分散过程中，为进一步减少CNTs的团聚现象，在浆料中加入分散剂SND6800(阴离子型聚羧酸盐电解质)，含量占浆料总重的0.5wt.％。喷雾干燥法制备热喷涂复合粉体：选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将超声分散所得浆料进行喷雾造粒。选用的喷雾干燥参数为：空气进口温度230℃浆料送给速率60g/min腔体空气温度151℃雾化空气流量12m3/h空气出口温度130℃高压空气压力0.4Mpa喷嘴旋转速度13000r/min此外，通过观察造粒后的复合粉末内部(图2(b))，我们可以清楚地观察到CNT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热喷涂用粉末，其特征在于：由TiO2和CNTs粉末组成，两种物质的重量百分比分别为97wt.％，3wt.％。

【技术特征摘要】
1.一种热喷涂用粉末，其特征在于：由TiO2和CNTs粉末组成，两种物质的重量百分比分
别为97wt.％，3wt.％。
2.一种热喷涂涂层的制备方法，先用超声分散技术制备浆料，再用喷雾干燥法制备热
喷涂用纳米复合粉体，最后采用等离子喷涂技术制备涂层，其特征在于：
浆料中混合粉末、去离子水和粘结剂PVA的重量百分比分别为30wt.％，6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海斗，马国政，何鹏飞，陈书赢，王海军，刘明，
申请(专利权)人：中国人民解放军装甲兵工程学院，
类型：发明
国别省市：北京;11