船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法技术

船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法，本发明专利技术是为了解决现有船体表面疏水性能较低的问题。制备方法：一、对铝合金基体材料进行超声清洗；二、将球状硬质陶瓷微粒和石墨纳米片粉末混合，放入超音速微粒轰击器的腔体中；三、将石墨纳米片粉末与稀土粉末混合均匀，利用环氧树脂将混合后的粉末融合，涂覆在铝合金基体表面作为预置层；四、利用超音速微粒轰击设备对带有预置层的基体进行表面超音速微粒轰击处理；五、重复步骤三和步骤四，每次逐渐减少步骤三中稀土粉末的量，直至涂覆混合粉末中只有石墨纳米片粉末。本发明专利技术在船用铝合金表面构筑纳米级梯度壳结构疏水微结构，达到疏水防污效果，并提高改性层与基体的结合强度。

【技术实现步骤摘要】
船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法
本专利技术属于机械加工和表面改性领域，具体涉及一种船体结构的表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法。
技术介绍
随着海洋资源的开发与利用，船舶工程已经成为我国国防、海洋经济的重点发展领域。目前，海洋开发，向着水域更深，条件更为苛刻的海洋环境进行，对船体的要求也日益提高。铝合金因其密度小，比强度大等特点，常被用于船舶壳体结构的制造，以减轻船体质量，提高航速。然而，船舶在长时间航行中，经常会遇到海洋生物附着，增加船体阻力，加速船体腐蚀的问题。船体表面的附着强度，通常由其表面接触角决定，接触角越大，海洋生物附着越困难。因此，增加船体材料表面接触角，提高表面疏水性能，有助于降低船舶流体阻力，减少船体表面附着物，增加船舶航速，减缓船体表面腐蚀失效，增加船舶服役寿命，提高能源利用效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有船体表面疏水性能较低的问题，而提供一种船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法。本专利技术船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法按照以下步骤实现：一、对铝合金基体材料进行超声清洗，得到清洗后的基体；二、按照质量比为15:1-30:1将球状硬质陶瓷微粒和石墨纳米片粉末混合，利用球磨机球磨混合均匀后再进行干燥处理和预热处理，将预热后的混合粉末放入超音速微粒轰击器的腔体中；三、将石墨纳米片粉末与稀土粉末混合均匀，利用环氧树脂将混合后的粉末融合，涂覆在铝合金基体表面作为预置层，干燥处理后得到带有预置层的基体；四、利用超音速微粒轰击设备对带有预置层的基体进行表面超音速微粒轰击处理，得到微粒轰击处理后的基体；五、重复步骤三和步骤四，每次逐渐减少步骤三中稀土粉末的量，直至涂覆混合粉末中只有石墨纳米片粉末，得到船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层。本专利技术针对船舶表面附着物污染问题，提出一种在船用铝合金表面构筑纳米级梯度壳结构疏水微结构的方法，利用表面纳米级微结构增加接触角，达到疏水防污效果，并利用梯度壳结构降低材料表面和内部强-塑性差异，提高改性层与基体的结合强度，以及材料的耐磨性、硬度和服役寿命。本专利技术以超音速微粒轰击技术为基础，将压缩空气作为气源(1.5MPa～1.8MPa)，再经加热器将气体预热，预热温度通常为100～800℃，采用气-固双相流，高速气流携带α-Al2O3和石墨纳米片固体介质微粒，进入拉瓦尔喷枪内加速，再以极其高的动能轰击试样表面，超音速气流速度最高可达1200m/s，最后大量颗粒反复撞击试样表面使表面发生剧烈的塑性变形，并产生大量的位错和位错运动，被激活的位错之间相互作用，形成了位错壁和分界面，弹丸在不同方向上的运动，最终使晶粒细化表面获得纳米结构。本专利技术在反应粉末中添加稀土La2O3或CeO，促进石墨纳米片的扩散。通过改变稀土粉末与石墨纳米片粉末的比例，进行成分梯度设计，再将混合粉末，按照石墨纳米片粉末比例增加的顺序，逐次将混合粉末涂覆在铝合金试样的表面，涂覆厚度不超过0.5mm，再进行超音速微粒轰击处理5min，制备梯度改性层，渐变性使得梯度涂层内应力小。此改性层中石墨纳米片的来源有两个方面，一部分来自于预置涂覆层，一部分来自与高速冲击固体介质。对于预置层，通过调节其厚度，降低由于高速冲击导致飞溅带来的损失，提高沉积率，对于高速介质微粒携带的石墨纳米片粉，具有较高的动能，更容易在裂纹和晶界处沉积。经过多次涂覆和冲击，试样表面形成了具有梯度成分的多层纳米改性层。本专利技术利用上述方法制备的改性层具有纳米梯度结构，结合性能良好，且具有较高的硬度和耐磨性。该方法实施过程简单，灵活性强，能源消耗低，高效，无污染，易于实现产业化生产。附图说明图1是本专利技术表面超音速微粒轰击设备的结构示意图；图2是本专利技术的梯度改性层形成机制图；图3是实施例中制备得到的梯度壳结构疏水涂层的表面形貌图；图4是实施例中制备的梯度壳结构疏水涂层的接触角测试图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法按照以下步骤实现：一、对铝合金基体材料进行超声清洗，得到清洗后的基体；二、按照质量比为15:1-30:1将球状硬质陶瓷微粒和石墨纳米片粉末混合，利用球磨机球磨混合均匀后再进行干燥处理和预热处理，将预热后的混合粉末放入超音速微粒轰击器的腔体中；三、将石墨纳米片粉末与稀土粉末混合均匀，利用环氧树脂将混合后的粉末融合，涂覆在铝合金基体表面作为预置层，干燥处理后得到带有预置层的基体；四、利用超音速微粒轰击设备对带有预置层的基体进行表面超音速微粒轰击处理，得到微粒轰击处理后的基体；五、重复步骤三的预涂覆和步骤四的超音速微粒轰击过程，逐渐减少稀土粉末的量，直至涂覆混合粉末中只有石墨纳米片粉末，得到船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层。本实施方式步骤三第一次将石墨纳米片粉末与稀土粉末混合时，石墨纳米片粉末与稀土粉末的质量比为7:3-9:1。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二所述球状硬质陶瓷微粒的粒径为100μm-150μm，石墨纳米片粉末的粒径为10-20μm。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中的球状硬质陶瓷微粒为Al2O3陶瓷粉末、Si3N4陶瓷粉末或ZrO2陶瓷粉末。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二球磨处理时间为2h。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中是在100℃下预热10min。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中所述的稀土粉末为La2O3或CeO粉末，粒径为30-50μm。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中预置层的厚度为0.4-2mm。具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中超音速微粒轰击过程中，控制气体压力为1.0-1.5MPa，喷射速度340-370m/s，轰击角度30-90°，轰击时间4-15min。具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤五重复步骤三和步骤四3-8次。具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中所述的超音速微粒轰击设备包括压缩气源1、气体加热器2、粉末进料器3和(拉瓦尔)喷枪4，压缩气源1的气源出口上并联有第一气路和第二气路，在第一气路上设置有气体加热器2，在第二气路上设置有粉末进料器3，第一气路的另一端与喷枪4的进气口相连通，第二气路的另一端与喷枪4的固体微粒进口相连通。本实施方式所述的表面超音速微粒轰击设备的结构示意图如图1所示。本实施方式将压缩空气作为气源(1.5MPa～1.8MPa)，再经加热器将气体预热，预热温度通常为100～800℃，采用气-固双相流，高速气流携带α-Al2O3和石墨纳米片固体介质微粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法，其特征在于该制备方法按照以下步骤实现：/n一、对铝合金基体材料进行超声清洗，得到清洗后的基体；/n二、按照质量比为15:1-30:1将球状硬质陶瓷微粒和石墨纳米片粉末混合，利用球磨机球磨混合均匀后再进行干燥处理和预热处理，将预热后的混合粉末放入超音速微粒轰击器的腔体中；/n三、将石墨纳米片粉末与稀土粉末混合均匀，利用环氧树脂将混合后的粉末融合，涂覆在铝合金基体表面作为预置层，干燥处理后得到带有预置层的基体；/n四、利用超音速微粒轰击设备对带有预置层的基体进行表面超音速微粒轰击处理，得到微粒轰击处理后的基体；/n五、重复步骤三和步骤四，每次逐渐减少步骤三中稀土粉末的量，直至涂覆混合粉末中只有石墨纳米片粉末，得到船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层。/n

【技术特征摘要】
1.船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法，其特征在于该制备方法按照以下步骤实现：
一、对铝合金基体材料进行超声清洗，得到清洗后的基体；
二、按照质量比为15:1-30:1将球状硬质陶瓷微粒和石墨纳米片粉末混合，利用球磨机球磨混合均匀后再进行干燥处理和预热处理，将预热后的混合粉末放入超音速微粒轰击器的腔体中；
三、将石墨纳米片粉末与稀土粉末混合均匀，利用环氧树脂将混合后的粉末融合，涂覆在铝合金基体表面作为预置层，干燥处理后得到带有预置层的基体；
四、利用超音速微粒轰击设备对带有预置层的基体进行表面超音速微粒轰击处理，得到微粒轰击处理后的基体；
五、重复步骤三和步骤四，每次逐渐减少步骤三中稀土粉末的量，直至涂覆混合粉末中只有石墨纳米片粉末，得到船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层。


2.根据权利要求1所述的船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法，其特征在于步骤二所述球状硬质陶瓷微粒的粒径为100μm-150μm，石墨纳米片粉末的粒径为10-20μm。


3.根据权利要求1所述的船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法，其特征在于步骤二中的球状硬质陶瓷微粒为Al2O3陶瓷粉末、Si3N4陶瓷粉末或ZrO2陶瓷粉末。


4.根据权利要求1所述的船用铝合金表面纳米级梯度壳结构疏水涂层的制备方法，其特征在于步骤二球磨处理时间为2h。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金娜，金国，崔秀芳，王佐，黄沛哲，王睿，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23