一种用于制备自修复涂层的复合粉末及其制备方法、钛基耐磨自修复涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于制备自修复涂层的复合粉末及其制备方法、钛基耐磨自修复涂层及其制备方法。本发明专利技术先将粉料(层状硅酸盐矿物粉末、Al粉和Ti粉)、硝酸盐溶液与分散剂及粘结剂混合球磨，得到浆料；再进行喷雾干燥，得到球形复合粉末颗粒；再在含有碳源气体的环境中进行化学气相沉积处理，在球形复合粉末表面形成碳纳米管包覆层，得到碳纳米管(即CNTs)包覆的球形复合粉末。以复合粉末为原料，通过基体表面预处理、冷喷涂、重熔处理与热处理等步骤，在金属基体表面制备得到耐磨自修复涂层。本发明专利技术提供的钛基耐磨自修复涂层具有高硬度和良好的耐磨性，并在油润滑、干摩擦和真空环境下具有磨损自修复功能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于制备自修复涂层的复合粉末及其制备方法、钛基耐磨自修复涂层及其制备方法
本专利技术涉及表面处理
，特别涉及一种用于制备自修复涂层的复合粉末及其制备方法、钛基耐磨自修复涂层及其制备方法。
技术介绍
钛合金的比强度高、耐蚀性优异、生物兼容性好，在航空航天、化工、国防装备和生物医学等领域应用广泛。但由于硬度低、承载能力差、易产生粘着磨损失效，且摩擦系数高、高速摩擦易燃(“钛火”现象)等问题，限制了钛合金作为机械装备摩擦件的大规模应用。在钛合金表面制备高性能钛基复合涂层，通过改变其表面形态、化学成分或组织结构，赋予钛合金表面新的力学和摩擦学性能，是提高钛合金零件使用寿命和可靠性，扩展钛合金材料应用领域的最主要技术手段。TiC颗粒具有硬度和熔点高、化学稳定性好等突出优点，是钛基复合涂层材料的常用增强相。为提高硬度及耐磨性，通常采用两种方式将TiC颗粒引入钛基涂层内部：一种是直接添加TiC的外加颗粒法；另一种是利用石墨、石墨烯等含C元素粉末与Ti粉末在涂层制备过程中发生自蔓延高温合成反应，原位形成TiC的原位合成法。相比于外加颗粒法，原位合成法制备的TiC/Ti复合涂层内部TiC增强体界面洁净、化学稳定性好、尺寸细小，具备更好的涂层性能。当前原位TiC/Ti复合涂层制备过程中，通常采用Ti粉与碳粉机械混合的方式获得涂层原料，如公开号为CN111069614A、CN108251838A、CN104480460A等中国专利申请，均是采用机械混合的方法获得Ti与碳粉(包括石墨烯、石墨、无定形纳米碳粉等)的混合粉末，并在此基础上通过激光熔覆或氩弧熔覆等工艺制备得到TiC增强钛基复合材料。但由于碳粉与钛粉之间存在密度相差大等特性的差异，简单的机械混合(包括机械搅拌、球磨、溶液分散等)方法获得的复合粉末中碳粉的分散不均匀，容易造成粉末的大面积团聚或局部缺失，导致最终涂层中TiC的分布难以控制，且颗粒尺寸普遍为微米级，造成了TiC增强体对涂层的强化效果下降，涂层硬度和耐磨性不高。另一方面，现有原位钛基复合材料在成分和制备工艺确定后，其摩擦学性能随即确定，随着磨损时间的延长，由于材料表面局部磨损造成的微观损伤会引发整体失效，从而导致零部件失效和设备故障。也就是说，传统原位钛基复合材料不具备磨损原位自修复功能，无法对磨损表面早期微观损伤进行原位自修复，不能在服役过程中进一步提升性能。为了解决这一问题，文献(ZhaiWZ,LuWL,ZhangP,etal.Wear-triggeredself-healingbehavioronthesurfaceofnanocrystallinenickelaluminumbronze/Ti3SiC2composites[J].ApplSurfSci,2018,436:1038–1049.)采用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了镍铝青铜/Ti3SiC2复合材料，磨损过程中Ti3SiC2在摩擦热和剪切应力作用下发生分解并被空气氧化，形成了具有润滑功效的TiO2。更重要的是，由于TiO2、Al2O3和SiO2等反应产物引起的体积膨胀，在一定程度上修复了磨损表面的裂纹损伤。但上述材料的自修复过程需要高温加热，同时需要借助空气的氧化作用，因此无法在常温或真空环境下赋予材料自修复功能，无法有效改善钛基复合材料的摩擦学性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种用于制备自修复涂层的复合粉末及其制备方法、钛基耐磨自修复涂层及其制备方法。本专利技术提供的耐磨自修复涂层具有优异的摩擦学性能，在干摩擦、油润滑和真空环境下具有磨损自修复功能。本专利技术提供了一种用于制备自修复涂层的复合粉末的制备方法，包括以下步骤：a)将粉料、分散剂、硝酸盐溶液和粘结剂混合球磨，得到浆料；b)对所述浆料喷雾干燥，得到Ti-LS-Al球形复合粉末；c)在烃类气体、氢气和惰性气体的混合气体环境下，对所述Ti-LS-Al球形复合粉末进行化学气相沉积处理，得到碳纳米管包覆Ti-LS-Al的球形复合粉末；所述粉料包括以下质量比的组分：层状硅酸盐矿物粉末1％～6％；Al粉3％～9％；Ti粉余量；所述硝酸盐溶液中的硝酸盐为硝酸铁、硝酸镍和硝酸镁。优选的，所述步骤a)中：所述层状硅酸盐矿物粉末选自蛇纹石粉末、凹凸棒石粉末、蒙脱石粉末和海泡石粉末中的一种或几种；所述层状硅酸盐矿物粉末的粒度为≤1μm；所述Al粉的粒度为≤3μm；所述Ti粉的粒度为≤5μm。优选的，所述步骤b)中：所述喷雾干燥的条件为：进口温度250～300℃，出口温度90～120℃，雾化盘频率为240～300Hz；所述步骤a)中：所述分散剂选自无水乙醇、丙酮、乙二醇、正丙醇和水中的一种或几种；所述粘结剂选自松香与松节油的混合物、聚乙烯醇、聚乙二醇和硅酸钠中的一种或几种；所述分散剂与所述粉料的质量比为80％～100％；所述硝酸盐溶液与所述粉料的质量比为50％～100％；所述硝酸盐溶液中各种硝酸盐的浓度均为0.4～0.8mol/L；所述粘结剂与所述粉料的质量比为10％～20％；所述步骤c)中：所述烃类气体选自乙炔、乙烷和甲烷中的一种或几种。优选的，所述步骤c)中，所述化学气相沉积处理为等离子增强化学气相沉积处理；所述等离子增强化学气相沉积处理的过程包括：将所述Ti-LS-Al球形复合粉末置于等离子体增强化学气相沉积设备中，对反应腔体抽真空后开始加热，加热至目标温度后，向反应腔体中通入烃类气体、氢气和惰性气体，同时接通电源进行等离子体增强化学气相沉积反应，形成碳纳米管包覆Ti-LS-Al的球形复合粉末；所述抽真空至真空度为10-4～10-5Pa；所述目标温度为400～500℃；所述烃类气体的流量为8～12sccm；所述惰性气体的流量为50～70sccm；所述氢气的流量为25～35sccm；所述反应的功率为45～55W，时间为20～40min。优选的，在所述步骤b)之后、步骤c)之前，还包括：对所述Ti-LS-Al球形复合粉末进行干燥和筛分；所述干燥的温度为90～120℃，时间为1～3h；所述筛分为获得粒度为270～550目的粉末。本专利技术还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的用于制备自修复涂层的复合粉末。本专利技术还提供了一种钛基耐磨自修复涂层的制备方法，包括以下步骤：S1、对金属基体进行清洁和粗化处理，得到预处理基体；S2、将复合粉末通过冷喷涂工艺喷涂到所述预处理基体的表面，在基体表面形成初始涂层；S3、对所述初始涂层进行重熔处理，在所述基体表面形成高硬度涂层；S4、对所述高硬度涂层进行热处理，在基体表面形成耐磨自修复涂层；所述复合粉末为上述技术方案中所述的用于制备自修复涂层的复合粉末。优选的，所述重熔处理选自感应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备自修复涂层的复合粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/na)将粉料、分散剂、硝酸盐溶液和粘结剂混合球磨，得到浆料；/nb)对所述浆料喷雾干燥，得到Ti-LS-Al球形复合粉末；/nc)在烃类气体、氢气和惰性气体的混合气体环境下，对所述Ti-LS-Al球形复合粉末进行化学气相沉积处理，得到碳纳米管包覆Ti-LS-Al的球形复合粉末；/n所述粉料包括以下质量比的组分：/n层状硅酸盐矿物粉末 1％～6％；/nAl粉 3％～9％；/nTi粉 余量；/n所述硝酸盐溶液中的硝酸盐为硝酸铁、硝酸镍和硝酸镁。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于制备自修复涂层的复合粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将粉料、分散剂、硝酸盐溶液和粘结剂混合球磨，得到浆料；
b)对所述浆料喷雾干燥，得到Ti-LS-Al球形复合粉末；
c)在烃类气体、氢气和惰性气体的混合气体环境下，对所述Ti-LS-Al球形复合粉末进行化学气相沉积处理，得到碳纳米管包覆Ti-LS-Al的球形复合粉末；
所述粉料包括以下质量比的组分：
层状硅酸盐矿物粉末1％～6％；
Al粉3％～9％；
Ti粉余量；
所述硝酸盐溶液中的硝酸盐为硝酸铁、硝酸镍和硝酸镁。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中：
所述层状硅酸盐矿物粉末选自蛇纹石粉末、凹凸棒石粉末、蒙脱石粉末和海泡石粉末中的一种或几种；
所述层状硅酸盐矿物粉末的粒度为≤1μm；
所述Al粉的粒度为≤3μm；
所述Ti粉的粒度为≤5μm。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述步骤b)中：
所述喷雾干燥的条件为：进口温度250～300℃，出口温度90～120℃，雾化盘频率为240～300Hz；
所述步骤a)中：
所述分散剂选自无水乙醇、丙酮、乙二醇、正丙醇和水中的一种或几种；
所述粘结剂选自松香与松节油的混合物、聚乙烯醇、聚乙二醇和硅酸钠中的一种或几种；
所述分散剂与所述粉料的质量比为80％～100％；
所述硝酸盐溶液与所述粉料的质量比为50％～100％；
所述硝酸盐溶液中各种硝酸盐的浓度均为0.4～0.8mol/L；
所述粘结剂与所述粉料的质量比为10％～20％；
所述步骤c)中：
所述烃类气体选自乙炔、乙烷和甲烷中的一种或几种。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中，所述化学气相沉积处理为等离子增强化学气相沉积处理；
所述等离子增强化学气相沉积处理的过程包括：
将所述Ti-LS-Al球形复合粉末置于等离子体增强化学气相沉积设备中，对反应腔体抽真空后开始加热，加热至目标温度后，向反应腔体中通入烃类气体、氢气和惰性气体，同时接通电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：于鹤龙，王红美，吉小超，宋占永，尹艳丽，周新远，魏敏，史佩京，张伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军装甲兵学院，河北京津冀再制造产业技术研究有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11