一种等离子喷涂制备超疏水金属涂层的方法技术

本发明专利技术涉及一种等离子喷涂制备超疏水金属涂层的方法，其包括利用等离子喷涂法在基体表面喷涂粉体制备超疏水金属涂层的步骤，其中，喷涂的工艺参数为：电弧电压３５－７５Ｖ，电弧电流２００－６００Ａ，主气流量３０－１００Ｌ／ｍｉｎ，副气流量２０－５５Ｌ／ｍｉｎ，送粉速度１５－１００ｇ／ｍｉｎ，喷涂距离４５－１３５ｍｍ。本发明专利技术利用等离子喷涂法制备超疏水金属涂层，其优势在于采用一次等离子喷涂即可完成整个超疏水金属涂层的制备，无需复杂的前期预氧化等步骤，也不需要后续的化学修饰步骤，制备得到的超疏水金属涂层的静态接触角可达到１５０－１８０度，滚动角小于５度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用等离子喷涂法制备超疏水金属涂层的方法，属于金属材料的 表面改性领域
技术介绍
荷叶表面的水滴能收缩成珠状并容易地滚动，因此水滴很容易带走灰尘污渍，实 现对荷叶表面的清洁。荷叶的这种自清洁能力来自于荷叶表面的超疏水特性。这里所谓的 超疏水，是指水滴的接触角大于150度的固体表面特性。超疏水特性在水面或水下航行器 的减阻、大气环境下固体表面的自清洁、金属在潮湿环境中抵抗液滴附着导致的腐蚀等方 面具有非常广阔的应用前景，目前，固体表面的超疏水改性已成为研究热点之一。获得超疏水特性有两个必要条件，一是表面能要低，二是表面要有合适的微纳米 构造。对于表面能很低的材料，例如聚四氟乙烯等很多有机材料，寻找合适的加工技术使材 料表面具有合适的形貌构造，便可以获得超疏水特性；对于表面能较高的材料，例如金属， 则不仅需要表面合适的微纳米形貌构造，还需要(例如通过氟硅烷等有机修饰液进行修 饰)降低表面能，然后才能获得超疏水特性。与有机材料相比，金属本身具有更高的强度和韧性，更高的硬度，更好的耐磨性， 良好的综合性能如导电性等，因此，相对于有机超疏水而言，将超疏水特性与金属材料本身 的特性相结合的金属超疏水有着更广阔的应用前景，也越来越引人注目。目前已经出现了一些实现金属超疏水特性的技术，其技术核心通常是采用某 种金属的表面加工方法，通过这种方法获得合适的表面粗糙度和形貌特征，然后通过有 机修饰液进行修饰以使金属表面获得超疏水特性。中国专利CN100465343C中所公开 的技术方案是将铜片放入密闭容器中发生反应，使铜片表面获得微纳米结构，然后将铜 片再放入月桂酸的乙醇溶液中浸泡1天，从而使其表面获得超疏水特性。类似的技术方 案在CN101091947A中也有涉及。CN1814862A所公开的技术方案是采用喷砂的方法使 金属表面获得一定的粗糙度，然后用氟硅烷进行修饰处理，使金属表面获得超疏水特性。 CN101423945A所公开的技术方案是通过阳极氧化的方法在金属表面制备多孔结构，然后采 用低温等离子体技术进行表面改性并获得微纳米结构，最后通过常见的有机修饰液修饰以 使金属表面获得超疏水特性。CN101219506A所公开的技术方案是采用激光加工技术，一次 性处理使金属表面获得超疏水特性，不需要后续的化学处理，但是采用该专利申请所公开 的技术方案需要预先在金属表面涂覆氧化层，或者在激光加工过程中通入含氧气氛使金属 表面原位氧化。这种预涂覆氧化层和原位氧化使工艺复杂化，更重要的是激光加工成本较 高，难以应用到超大面积表面或者异型体内表面的加工。目前制备金属超疏水的技术在制备大面积的疏水表面方面也还有一定的限制，因 为无论是密闭容器中浸泡，还是阳极氧化，或者激光加工技术，均不适合大面积工件的加 工。喷砂技术能够比较容易实现大面积表面的加工，但喷砂后必须化学浸泡处理才能使金 属表面获得超疏水特征，同样也限制了这种方法的工业化应用。另外，目前所采用的多数制备金属超疏水的技术都需要进行后续的化学处理，而 化学处理膜自身的耐磨能力和粘附力均较弱，一旦化学处理膜被磨掉或者脱落，金属表面 的超疏水特性必然消失，这也限制了采用目前的方法所制备的金属超疏水表层，使其较难 发挥金属基体的耐磨、高硬度和高韧性等金属自身的优势。因此，寻找更方便的制备超疏水涂层的技术，避免复杂的前期处理以及后续的有 机修饰处理，一次性地在大面积金属表面制备出具有超疏水性能的无机涂层，是本领域亟 待解决的问题之一。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种利用等离子喷涂法制备超疏水 金属涂层的方法，无需前期的氧化处理，也无需后期的化学修饰，只通过普通的等离子喷涂 技术一次性在基材(例如金属)表面形成超疏水涂层，能够很容易地在大面积工件表面制 备超疏水涂层，有利于实现工业化规模应用。本专利技术的目的还在于提供利用上述方法制备的超疏水金属涂层，该涂层具有良好 的超疏水特性，并且该涂层的表面还可以含有部分的氧化物，具有良好的耐磨耐蚀等性能， 可以实现超疏水特性与无机材料自身性能之间的结合，充分发挥无机材料的优势。为达到上述目的，本专利技术首先提供了一种等离子喷涂制备超疏水金属涂层的方 法，该方法包括利用等离子喷涂法在基体表面喷涂粉体制备超疏水金属涂层的步骤，其中， 喷涂的工艺参数为电弧电压35-75V，电弧电流200-600A，主气流量30_100L/min，副气流 量 20-55L/min，送粉速度 15_100g/min，喷涂距离 45_135mm。本专利技术采用的等离子喷涂制备无机涂层的方法，基本原理是使喷涂设备的阴极和 阳极之间形成一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热，并使工作气体电离形成高温等 离子体，然后使高温等离子体从喷嘴喷出并形成等离子焰；同时，喷涂粉末被气体输送到火 焰中熔化，并被焰流加速，由喷嘴喷出到基体材料上并最终冷却凝固形成涂层。本专利技术所采 用的等离子喷涂工艺可以是大气等离子喷涂技术、低压等离子喷涂技术和水稳等离子喷涂 技术等。在本专利技术提供的上述制备方法中，采用等离子喷涂制备超疏水金属涂层的过程 中，主气可以采用氩气，氮气和氦气等气体，副气可以采用氢气和氮气。制备涂层时所采用 的基体可以是任何需要进行表面处理的材料，例如金属、合金等。在本专利技术提供的上述制备方法中，优选地，所采用的粉体为金属和/或合金粉体， 包括铁粉、镍粉、铬粉、锰粉、铝粉、铜粉、钨粉、钛粉和合金粉体等中的一种或几种，其中，合 金粉体不仅包括上述各种元素相互之间所形成的合金的粉体，还包括上述各种元素与其他 元素所组成的合金、氮化物、硼化物、碳化物、氧化物以及硅化物等的粉体，例如铁碳合金、 铁硅合金、氮化钛、硼化钛、硼铁、氧化铁、氧化铜等，其中，当采用单质粉体时，粉体中还可 以含有5wt%以下的常见元素，例如碳、氮、氧、硅、稀土等。在喷涂过程中，所采用的粉体粒 度一般为50-400目。根据本专利技术的具体技术方案，优选地，本专利技术提供的制备方法还可以包括在等离 子喷涂的过程中，对基体进行冷却的步骤。更优选地，上述冷却可以采用空气喷吹冷却 或循环水冷却的方法，其中，冷却气体的流量可以为50-5000L/min，冷却水的流量可以为5-500L/min。 通过对本专利技术所采用的基体进行预清理能够提高等离子喷涂涂层与基体的结合 力，因此，本专利技术提供的上述制备方法还可以包括在喷涂之前对基体进行喷砂预处理的步 骤。上述喷砂处理可以是采用喷砂机进行喷砂，喷砂的工艺参数为空气压力0. 7-1. 5MPa, 喷砂时间10秒-10分钟，喷砂用砂丸目数30-180目。本专利技术还提供了一种超疏水金属涂层，其是采用上述的方法制备的，其静态水接 触角为150-180度，滚动角度小于5度；优选地，上述超疏水金属涂层中含有金属氧化物。本专利技术还提供了上述超疏水金属涂层在金属表面处理中的应用，在金属表面制备 上述超疏水金属涂层可以使金属表面具有超疏水特性，能够实现金属本身的优良特性与超 疏水性的有机结合。本专利技术所制备的超疏水金属涂层，其表面成分和喷涂原料(即粉体)的成分接近， 少量的成分差别来自于等离子喷涂过程中部分元素的蒸发和氧化。因此本专利技术所制备涂层 在超疏水特性之外，还可以具有其他赋予的设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子喷涂制备超疏水金属涂层的方法，其包括利用等离子喷涂法在基体表面喷涂粉体制备超疏水金属涂层的步骤，其中，喷涂的工艺参数为：电弧电压３５－７５Ｖ，电弧电流２００－６００Ａ，主气流量３０－１００Ｌ／ｍｉｎ，副气流量２０－５５Ｌ／ｍｉｎ，送粉速度１５－１００ｇ／ｍｉｎ，喷涂距离４５－１３５ｍｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑雁军，李正峰，崔立山，白军爱，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]