本發(fā)明涉及一種鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層及其制備方法與應(yīng)用，屬于涂層。

背景技術(shù)：

1、飛行甲板是連接大型艦船與艦載機的橋梁，是實現(xiàn)艦船核心戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵。在嚴苛海洋環(huán)境下飛行甲板不僅要遭受強腐蝕性大氣、高溫高濕、陽光暴曬和海水干濕交替以及化學(xué)介質(zhì)等污染侵蝕，還要承擔(dān)艦載機起降時的巨大沖擊載荷和高溫尾焰沖刷灼傷等多種復(fù)雜因素的交互作用。飛行甲板防滑涂層是提升大型艦船戰(zhàn)斗力的倍增器，然而嚴苛服役環(huán)境下，常用樹脂基防滑涂層已難以勝任新型艦載機高頻連續(xù)沖擊和高溫尾焰沖刷，其失效行為已成為制約大型艦船發(fā)展和作戰(zhàn)效能的“卡脖子”問題，保障飛行甲板防滑涂層長時在勤率和完好率是亟待突破的核心技術(shù)難題。

2、相比而言，金屬基防滑涂層相對于樹脂基防滑涂層存在著先天優(yōu)勢：不易老化降解，使用壽命長，耐蝕性能可達15年以上；摩擦系數(shù)可長期穩(wěn)定在0.9以上；耐磨性能高，是樹脂基防滑涂層5倍以上；施工和高溫下不產(chǎn)生有毒氣體，綠色環(huán)保；與基體結(jié)合強度高，可達30mpa以上。隨著新一代大型艦船飛行甲板對防滑涂層性能需求的日益凸顯，金屬基防滑涂層應(yīng)用于艦載機飛行甲板防護勢在必行。但是，現(xiàn)有的金屬基防滑涂層存在防滑抗沖擊性能差，不耐艦載機高溫尾焰長時沖刷灼傷的問題

3、綜上所述，現(xiàn)有樹脂基防滑涂層難以滿足日益嚴苛的海洋服役工況。因此，亟需對防滑涂層的材料、結(jié)構(gòu)及其工藝進行優(yōu)化改進，進而提供一種兼具高致密度、高結(jié)合強度、耐磨防腐、耐高溫、抗沖擊等多功能一體化的金屬基防滑涂層及其制備方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決樹脂基防滑涂層和現(xiàn)有金屬基防滑涂層易老化、結(jié)合力差、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、耐久性和耐高溫性能不足等技術(shù)難題，本發(fā)明的目的是提供一種耐磨防腐、防滑抗沖擊、耐高溫等多功能一體化的鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層，為實現(xiàn)其多功能化，在涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采取具有自蔓延放熱反應(yīng)的鋁鈦合金作為粘結(jié)底層以提升復(fù)合防滑涂層的結(jié)合強度和耐蝕性能，優(yōu)化設(shè)計高氧化鋁顆粒含量的面層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了涂層具有優(yōu)異防滑、耐高溫、耐磨性能，同時設(shè)計了低氧化鋁含量的中間層結(jié)構(gòu)，使得涂層整體呈現(xiàn)出外強內(nèi)韌性能，在防滑涂層具備了高硬度的同時獲得了良好的抗沖擊性能；另外，通過對氧化鋁顆粒的表面改性獲得的殼核結(jié)構(gòu)鎳包氧化鋁顆粒，目的是通過電弧噴涂高溫弧區(qū)快速動態(tài)物理化學(xué)冶金，促使少量的金屬鎳和鋁合金外皮間產(chǎn)生自蔓延放熱反應(yīng)，從而擴大固相和液相區(qū)間范圍，改善鋁和氧化鋁陶瓷界面的潤濕性并與氧化鋁陶瓷相形成界面，在提升陶瓷顆粒和金屬基體的結(jié)合強度的同時，減少了飛濺，使更多的氧化鋁陶瓷顆粒沉積到涂層中，提高了涂層致密度，從而實現(xiàn)復(fù)合涂層結(jié)合強度和耐蝕性以及耐磨性的進一步提升。因此，本發(fā)明提供鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層兼具耐磨防腐、防滑抗沖擊、耐高溫等性能。

2、同時，本發(fā)明提供一種鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層的制備方法。

3、同時，本發(fā)明提供一種鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層的應(yīng)用。

4、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

5、鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層，由鋁鈦合金粘結(jié)底層、低氧化鋁含量的中間層和高氧化鋁含量的面層組成。

6、鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層，是由鋁鈦合金粘結(jié)底層、陶瓷含量為10-20vol％的氧化鋁顆粒和鋁鎂合金中間層以及陶瓷含量為40-55vol％氧化鋁顆粒和鋁鎂合金面層組成。

7、鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層制備方法，包括以下步驟：

8、步驟一，氧化鋁陶瓷顆粒預(yù)處理：將氧化鋁陶瓷顆粒平均分成2份，一份加入到含有50-60％的氫氧化鈉溶液中超聲波(頻率為20～30khz)粗化處理5～10min后清洗干凈，獲得大規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒，另一份加入到含有70-80％的氫氧化鈉溶液中超聲波(頻率為20～30khz)粗化處理15～20min后清洗干凈，獲得小規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒，然后將粗化后的大規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒和小規(guī)格氧化鋁陶瓷顆?；靹?，干燥待鍍，即得待鍍的氧化鋁陶瓷顆粒；

9、步驟二，鍍鎳：將待鍍的氧化鋁陶瓷顆粒放入體積＞1l的攪拌反應(yīng)器中，加入1l含有50～100g/l的氯化鎳或硫酸鎳、30～50g/l次亞磷酸鈉、5～10mg/l十二烷基硫酸鈉和1～3mg/l硫脲的溶液中，水浴加熱至70～85℃，ph值控制為4～6，反應(yīng)時間為20～30min，通過自催化反應(yīng)獲得厚度為1～2μm的鎳包氧化鋁復(fù)合粉體；

10、步驟三，采用5054鋁合金的材質(zhì)外皮分別包裹10-20vol％以及40-55vol％的上述鎳包氧化鋁復(fù)合粉體并經(jīng)拉拔工藝得到兩種不同氧化鋁含量的鋁基陶瓷粉芯絲材；

11、5054鋁合金的材質(zhì)外皮包裹10-20vol％的鎳包氧化鋁復(fù)合粉體時，余量的是80～90vol％的almg合金，almg合金為現(xiàn)有合金，almg合金中包含5wt％的mg和95wt％的al。拉拔后獲得10-20vol％鋁基陶瓷粉芯絲材的直徑為2mm。10-20vol％的鋁基陶瓷粉芯絲材的填充率達10～20％。

12、5054鋁合金的材質(zhì)外皮包裹40-55vol％的鎳包氧化鋁復(fù)合粉體時，余量的是45～60vol％的almg合金，almg合金為現(xiàn)有合金，almg合金中包含5wt％的mg和95wt％的al。拉拔后獲得40-55vol％鋁基陶瓷粉芯絲材的直徑為3mm。40-55vol％的鋁基陶瓷粉芯絲材的填充率達40～55％。

13、步驟四，利用高速電弧噴涂技術(shù)，首先噴涂鋁鈦合金絲材制備厚度為100-150μm的粘結(jié)底層，其次噴涂陶瓷含量為10-20vol％的鋁基陶瓷粉芯絲材，制備厚度為200-300μm的中間層，最后噴涂陶瓷含量為40-55vol％的鋁基陶瓷粉芯絲材制備厚度為300-500μm的面層；其中，每間隔50μm厚涂層采用具有彈塑性應(yīng)變能的微粒在單獨氣體射流下轟擊已沉積涂層，直至涂層厚度達到600～950μm，即可獲得強結(jié)合、抗沖擊、高耐磨耐蝕、抗高溫焰流長期沖刷的鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層。

14、優(yōu)選地，步驟一中，氧化鋁陶瓷顆粒的粒徑為150～300μm；大規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒的粒徑為140～280μm；小規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒的粒徑為50～100μm。在絲材拉拔擠壓的過程中，大規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒的粒徑和小規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒會部分破碎，變形。

15、優(yōu)選地，步驟四中，鋁鈦合金絲材的主要成分為al97ti3，直徑為2mm，噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電壓32～36v，電流150～200a，噴涂壓力0.65～0.7mpa，噴涂距離為100～150mm。

16、不同氧化鋁含量鋁基陶瓷中間層和面層的噴涂工藝為：噴涂電壓40～46v，電流350～420a，噴涂壓力0.65～0.7mpa，噴涂距離為150～200mm。

17、優(yōu)選地，步驟四中，采用具有彈塑性應(yīng)變能的微粒為0.8～1.2mm球形鋼丸或鐵丸，氣流壓力為0.45～0.55mpa，轟擊距離為150～200mm。

18、本發(fā)明的鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層，涂層結(jié)合強度≥36mpa，平均硬度≥770hv0.1，孔隙率≤1％，耐中性鹽霧性能≥3000h；在干態(tài)和人工海水濕態(tài)下涂層與輪胎摩擦系數(shù)均≥1.1，潤滑油條件下涂層與輪胎摩擦系數(shù)≥0.92；經(jīng)阻攔索磨損后涂層質(zhì)量損失≤5％；涂層經(jīng)落球沖擊后失效點≤2個；經(jīng)1500℃氧乙炔火焰焰流沖刷45s后涂層耐中性鹽霧性能≥1000h。

19、本發(fā)明的鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層可在航空航天、水利海洋、國防裝備關(guān)鍵零部件中應(yīng)用，關(guān)鍵零部件包括艦船飛行甲板、船殼、鉆井平臺和海洋環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)塔架等；艦船飛行甲板包括大型艦船飛行甲板艦載機起降區(qū)域。

20、大型艦船飛行甲板，尤其是垂直起降區(qū)域的防滑涂層，可采用本發(fā)明的鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層制備獲得。

21、具體地，本發(fā)明的鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層的制備方法：

22、首先，在室溫條件下對氧化鋁陶瓷顆粒進行稱量后，氧化鋁陶瓷顆粒預(yù)處理：將氧化鋁陶瓷顆粒平均分成2份，一份加入到含有50-60％的氫氧化鈉溶液中超聲波粗化處理5～10min后清洗干凈，獲得大規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒，另一份加入到含有70-80％的氫氧化鈉溶液中超聲波粗化處理15～20min后清洗干凈，獲得小規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒，然后將粗化后的大規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒和小規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒混勻，干燥待鍍，即得待鍍的氧化鋁陶瓷顆粒；將待鍍的氧化鋁陶瓷顆粒放入體積＞1l的攪拌反應(yīng)器中，加入1l含有50～100g/l的氯化鎳或硫酸鎳、30～50g/l次亞磷酸鈉、5～10mg/l十二烷基硫酸鈉和1～3mg/l硫脲的溶液中，水浴加熱至70～85℃，ph值控制為4～6，反應(yīng)時間為20～30min，通過自催化反應(yīng)獲得厚度為1～2μm的鎳包氧化鋁復(fù)合粉體。采用5054鋁合金的材質(zhì)外皮包裹10～20vol％以及40～55vol％的上述復(fù)合粉末并經(jīng)拉拔工藝得到兩種不同氧化鋁含量的鋁基陶瓷粉芯絲材備用。

23、其次，在經(jīng)過噴砂粗化后的鋼基體上采用高速電弧噴涂技術(shù)在噴涂工藝參數(shù)為電壓32～36v，電流150～200a，噴涂壓力0.65～0.7mpa，噴涂距離為100～150mm條件下噴涂直徑為2mm的鋁鈦合金絲材，獲得厚度為100-150μm的粘結(jié)底層，其中每間隔50μm厚涂層即采用直徑為0.8～1.2mm球形鋼丸或鐵丸在氣流壓力為0.45～0.55mpa，距離為150～200mm條件下轟擊已沉積鋁鈦合金涂層。

24、最后，在鋁鈦合金粘結(jié)底層上采用高速電弧噴涂技術(shù)在噴涂工藝參數(shù)為電壓40～46v，電流350～420a，噴涂壓力0.65～0.7mpa，噴涂距離為150～200mm條件下依次噴涂陶瓷含量為10-20vol％的鋁基陶瓷粉芯絲材制備厚度為200-300μm的中間層和陶瓷含量為40-55vol％的鋁基陶瓷粉芯絲材制備厚度為300-500μm的面層，其中每間隔50μm厚涂層即采用直徑為0.8～1.2mm球形鋼丸或鐵丸在氣流壓力為0.45～0.55mpa，距離為150～200mm條件下轟擊已沉積涂層，直至涂層整體厚度達到600～950μm，即可獲得強結(jié)合、抗沖擊、高耐磨耐蝕、抗高溫焰流沖刷的鋁基陶瓷梯度結(jié)構(gòu)防滑涂層。

25、有益效果：相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

26、(1)本發(fā)明針對樹脂基防滑涂層和現(xiàn)有金屬基防滑涂層易老化、結(jié)合力差、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、耐久性和耐高溫性能不足等技術(shù)難題，在材料設(shè)計方面，基于鋁鎳合金間發(fā)生的自蔓延放熱反應(yīng)，首先提出了“化學(xué)鍍鎳包覆氧化鋁陶瓷的殼核結(jié)構(gòu)”，并利用電弧噴涂高溫弧區(qū)快速動態(tài)物理化學(xué)冶金過程中實現(xiàn)鎳和鋁金屬間自蔓延放熱反應(yīng)來擴大液相和固相區(qū)間，改善液態(tài)金屬與陶瓷顆粒以及涂層與基體間潤濕性，促使金屬與陶瓷相間鍵合來提升結(jié)合強度的設(shè)計思路，從而實現(xiàn)了高結(jié)合強度的鋁基陶瓷涂層的制備。

27、(2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，利用鋁鈦間的放熱反應(yīng)作為鋁基陶瓷涂層的粘結(jié)底層，改善了陶瓷復(fù)合涂層與基體間結(jié)合強度；設(shè)計了低氧化鋁含量的中間層結(jié)構(gòu)，使得涂層整體呈現(xiàn)出外強內(nèi)韌，使防滑涂層具備了良好的抗沖擊性能；同時采取高氧化鋁顆粒含量的面層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了涂層具有優(yōu)異防滑、耐高溫、耐磨性能；同時通過改善鋁基體和氧化鋁陶瓷間界面結(jié)合狀態(tài)，利用高硬度氧化鋁陶瓷顆粒的承載作用以及高韌性金屬鋁基體吸收涂層受到的沖擊和摩擦力來抑制和減少涂層裂紋的萌生與發(fā)展，加上兩者具有良好的物化性能匹配，實現(xiàn)高陶瓷含量的涂層強韌一體化。

28、(3)在制備工藝方面，在熱噴涂過程中，利用轟擊微粒具有的彈塑性應(yīng)變能特性對已沉積的涂層表面進行同步轟擊，在實現(xiàn)鋁基陶瓷材料有效沉積和增厚成形的同時，轟擊微粒產(chǎn)生“夯實”效應(yīng)，改善了涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布，即降低殘余拉應(yīng)力，在合理范圍內(nèi)增大殘余壓應(yīng)力，從而顯著削弱了涂層沉積誘發(fā)驟冷應(yīng)力(拉應(yīng)力)的不利影響，涂層的總體質(zhì)量和性能得到了提升與強化，涂層的本征及服役壽命大幅提高；且全部工藝流程可以利用低成本高速電弧噴涂技術(shù)一體化完成，極大地提高了制備生產(chǎn)效率，有利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，可用于極端工況服役的航空航天、水利海洋、國防科技等領(lǐng)域裝備關(guān)鍵零部件的制造與運行維護，具有重要的經(jīng)濟價值和推廣意義。

29、(4)本發(fā)明分批粗化處理氧化鋁陶瓷顆粒，獲得大規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒和小規(guī)格氧化鋁陶瓷顆粒，混勻后的待鍍的氧化鋁陶瓷顆粒鍍鎳、拉拔為絲材后，絲材填充率最高可達55％，填充率高，通過梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終獲得涂層的結(jié)合強度、抗沖擊、耐磨耐蝕、抗高溫焰流長時沖刷性能均顯著提高。

30、本發(fā)明有效地解決了傳統(tǒng)樹脂基防滑涂層和現(xiàn)有金屬基防滑涂層易老化、結(jié)合力差、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、耐久性和耐高溫性能不足等瓶頸難題，以及傳統(tǒng)電弧噴涂氧化鋁/鋁復(fù)合涂層在嚴苛服役環(huán)境下易發(fā)生腐蝕、磨損和剝落等失效技術(shù)問題，可用于極端工況服役的大型艦船飛行甲板區(qū)域以及航空航天、水利海洋、國防科技等領(lǐng)域裝備關(guān)鍵零部件的制造與運行維護。