本發(fā)明涉及涂層制備技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種大氣環(huán)境中超音速等離子噴涂制備空位氧化鈦導(dǎo)電涂層的方法。
背景技術(shù):
二氧化鈦具備較高的硬度和韌性,耐磨性好,常用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸套內(nèi)壁、液壓活塞表面耐磨強(qiáng)化,同時(shí)二氧化鈦的化學(xué)穩(wěn)定性好,常溫下幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),是一種偏酸性的兩性氧化物。與氧、硫化氫、二氧化硫、二氧化碳和氨都不起反應(yīng),也不溶于水、脂肪酸和其他有機(jī)酸及弱無機(jī)酸。在海洋環(huán)境中也具有優(yōu)異的耐腐蝕性。二氧化鈦還具有半導(dǎo)體的性能。由于分子中氧原子的部分缺失,形成空位,故缺氧氧化鈦也稱為空位氧化鈦。稍微減少氧含量,對(duì)它的電導(dǎo)率會(huì)有特殊的影響,按化學(xué)組成的二氧化鈦(tio2)電導(dǎo)率<10-10s/cm,而tio1.9995的電導(dǎo)率則高達(dá)10-1s/cm。具有導(dǎo)電性質(zhì)的二氧化鈦在礦山、石化、電子電路、電導(dǎo)屏蔽、壓敏傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
通常二氧化鈦缺氧越多,導(dǎo)電率越高,但是制備高缺氧的具有更多空位的氧化鈦涂層具有較高的難度。其原因主要是:氧化鈦的熔點(diǎn)較高,為1850℃,且只能制成粉狀噴涂,所以一般采用低速火焰噴涂或等離子噴涂制備涂層;低速火焰噴涂采用氧氣為助燃?xì)怏w,在噴涂空位氧化鈦粉末時(shí),高溫熔化的氧化鈦粒子易吸收焰流中的氧氣,從而降低空位數(shù)量,降低涂層的導(dǎo)電率;大氣等離子噴涂的熱源其中無氧氣,涂層中空位數(shù)量要高于火焰噴涂,但噴涂粒子在大氣環(huán)境中滯留時(shí)間長(zhǎng),仍然存在明顯的吸氧現(xiàn)象,涂層中的缺氧量仍然不高,涂層導(dǎo)電率也很難滿足使用需要;低壓等離子噴涂在無氧的環(huán)境中制備涂層,缺氧量增加,但受真空爐限制了待噴涂工件的形狀和尺寸,且工藝復(fù)雜,效率低,成本高。
申請(qǐng)?zhí)枮?01610796897.2的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種一種氣體保護(hù)的大氣超音速等離子噴涂鈦涂層的方法,克服了鈦涂層氧化物和氮化物含量較高的缺陷,但是難以提高缺氧量。
申請(qǐng)?zhí)枮?01610796422.3和201610796913.8的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)保護(hù)氣進(jìn)氣角度,防止涂層粉末被氧化。但其這種優(yōu)化方式不能適用于提高氧化鈦涂層的缺氧量。
因此,需要設(shè)計(jì)一種全新的氧化鈦導(dǎo)電陶瓷涂層的制備方法,來實(shí)現(xiàn)較多空位的氧化鈦涂層的制備。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是克服氧化鈦涂層的缺氧量低的缺陷,提供了一種氧化鈦導(dǎo)電陶瓷涂層的制備方法。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
一種氧化鈦導(dǎo)電陶瓷涂層的制備方法,包括如下步驟:
步驟一、將銅或銅合金基體進(jìn)行凈化和粗化預(yù)處理;
步驟二、在超音速等離子噴槍陽極噴嘴中輸入氧化鈦,并以ar為主氣,h2為次級(jí)氣,以ar為保護(hù)氣,對(duì)基體表面進(jìn)行噴涂,至涂層厚度達(dá)到10~300μm;
其中,所述陽極噴嘴中保護(hù)氣孔軸線與陽極噴嘴軸線夾角α滿足:
其中,l1為陽極噴嘴長(zhǎng)度,l2為保護(hù)氣孔出口端中心與陽極噴嘴前端面的距離,p1為混合氣壓力,p2為保護(hù)氣壓力,d0為喉口孔徑,d1為陽極噴嘴出口直徑,d2為保護(hù)氣孔的直徑,q1為混合氣流量,q2為保護(hù)氣流量。
優(yōu)選的是,在超音速等離子噴槍陽極噴嘴中輸入的氧化鈦為空位tio2粉末。
優(yōu)選的是,在超音速等離子噴槍陽極噴嘴中輸入的氧化鈦為無空位tio2粉末。
優(yōu)選的是,主氣和次級(jí)氣混合氣壓力p1范圍為0.25~0.65mpa,保護(hù)氣壓力p2范圍為0.2~0.6mpa,并且滿足p1-p2=0.02~0.2mpa。
優(yōu)選的是,主氣和次級(jí)氣混合氣壓力p1為0.4mpa,保護(hù)氣壓力p2為0.3mpa。
優(yōu)選的是,送粉氣壓力p3為0.5~0.75mpa。
優(yōu)選的是,混合氣流量為100~350l/min,保護(hù)氣流量為10~50l/min,送粉氣流量為4~20l/min。
優(yōu)選的是,噴涂距離d為70~120mm。
優(yōu)選的是,送粉量為5~50g/min。
優(yōu)選的是,主氣和次級(jí)氣混合氣中,h2與ar流量比為15%~30%。
本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下方面:
(1)在大氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了較多空位的氧化鈦涂層的制備,原子數(shù)量比ti:o最大為1:1.87。
(2)采用ar為保護(hù)氣,在噴涂射流外圍形成保護(hù)氣罩,部分隔絕了空氣,有效降低了空位氧化鈦的吸氧。
(3)采用氫氣為次級(jí)氣,利用氫與氧的劇烈反應(yīng),奪走二氧化鈦中部分氧,從而可提高涂層中的缺氧量。
(4)噴涂距離小,噴涂粒子飛行距離短,與空氣中氧接觸反應(yīng)的幾率減小,有利于降低空位氧化鈦的吸氧。
(5)噴涂粒子的飛行速度高,可以達(dá)到400m/s以上,不但有利于氧化鈦的吸氧幾率,而且噴涂粒子高速撞擊基體后變形更加充分,涂層致密,孔隙率低,截面結(jié)合強(qiáng)度和涂層內(nèi)聚力都較高。
(6)涂層厚度可在10~200μm精確控制,表面表面細(xì)膩,光潔度高。
(7)涂層的不但具有優(yōu)異的導(dǎo)電性,而且耐磨性好,耐腐蝕性好,可用于高鐵銅導(dǎo)線表面防護(hù),在滿足導(dǎo)線導(dǎo)電率需求的同時(shí),顯著提高銅導(dǎo)線的使用壽命。
(8)噴槍小巧,可由工作人員手持操作,也可由機(jī)械手夾持操作。
(9)待噴涂工件形狀、尺寸幾乎不受限制。甚至可在室外操作,針對(duì)大型零部件實(shí)施噴涂作業(yè)。
(10)本發(fā)明可在大氣環(huán)境中實(shí)施噴涂,而氣相沉積則需在真空環(huán)境中制備薄膜,相比之下,該工藝更簡(jiǎn)單,易操作,成本低,工件形狀和大小不受限。
附圖說明
圖1為本發(fā)明所述的超音速等離子噴涂裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明所述的陽極噴嘴主視圖。
圖3為圖2中a-a剖視圖。
圖4為圖2中b-b剖視圖。
圖5為本發(fā)明所述的空位氧化鈦涂層截面顯微圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明,以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。
如圖1所示,本發(fā)明提供了一種大氣環(huán)境中超音速等離子噴涂制備氧化鈦涂層的方法,使用的形成保護(hù)氣罩的大氣超音速等離子噴涂裝置如圖1所示,包括槍座1、槍體壓帽2、槍體3、絕緣體4、氣體旋流環(huán)5、送粉架6、噴嘴壓帽7、陽極噴嘴8、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)9、陰極頭10、后絕緣體11、進(jìn)水口12、等離子氣體進(jìn)口13、出水口14、陰極體15、整墊片16、后絕緣壓帽17、陰極體壓帽18。
如圖2、圖3、圖4所示,在噴涂裝置中采用徑向保護(hù)氣陽極噴嘴或者軸向保護(hù)氣陽極噴嘴來制備氧化鈦涂層。
本發(fā)明在大氣環(huán)境中進(jìn)行超音速等離子噴涂,從進(jìn)料孔中輸入氧化鈦,輸入的氧化鈦可以是空位氧化鈦,也可以是沒有空位的二氧化鈦,以ar為主氣,h2為次級(jí)氣,以ar為保護(hù)氣,在經(jīng)過凈化、粗化預(yù)處理的銅或銅合金基體上進(jìn)行噴涂,至涂層厚度達(dá)到10~300μm。
主要參數(shù)范圍為:
(1)混合氣壓力p1:0.25~0.65mpa;優(yōu)選的0.4mpa。
(2)保護(hù)氣為ar,壓力p2:0.2~0.6mpa,且p1-p2=0.02~0.2mpa;優(yōu)選的0.3mpa。
(3)混合氣流量q1:100~350l/min;優(yōu)選的150l/min。
(4)保護(hù)氣流量q2:10~50l/min;優(yōu)選的30l/min。
(5)喉口孔徑d0:3~4.5mm;優(yōu)選的3.2mm。
(6)噴嘴出口d1:6~7.5mm;優(yōu)選的6.5mm。
(7)噴嘴長(zhǎng)度l1:40~50mm;優(yōu)選的45mm。
(8)保護(hù)氣孔的直徑d2:1.5~2.5mm,優(yōu)選的2mm。
(9)保護(hù)氣孔出口端端中心與陽極噴嘴前端面的距離l2:5~12mm;優(yōu)選的8mm。
(10)保護(hù)氣孔的角度α滿足下式
,代入(1)~(9)的優(yōu)選值,可得到優(yōu)選的α為75.5°。
(11)混合氣由氬氣和氫氣組成,氫氣流量:氬氣流量為15%~30%,優(yōu)選的25%。
(12)工作電流i:350~450a,優(yōu)選的420a。
(13)工作功率p:45~65kw,優(yōu)選的58kw。
(14)送粉氣為ar,壓力p3:0.5~0.75mpa,優(yōu)選的0.6mpa。
(15)送粉氣流量q3:4~20l/min,優(yōu)選的7l/min。
(16)送粉量pfr:5~50g/min,優(yōu)選的15g/min。
(17)噴涂距離d:70~120mm,優(yōu)選的80mm。
通過上述參數(shù)的設(shè)置,能夠顯著提高氧化鈦涂層的缺氧量和導(dǎo)電率,涂層的結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨性好、耐蝕性好。
實(shí)施例一
噴涂粉末為團(tuán)聚的空位tio2粉末,原子數(shù)量比ti:o=1:1.95,粉末粒度為15~45μm,混合氣壓力p1為0.4mpa,保護(hù)氣為ar,壓力p2為0.3mpa,混合氣流量q1為150l/min,保護(hù)氣流量q2為30l/min,喉口孔徑d0為3.2mm,噴嘴出口d1為6.5mm,噴嘴長(zhǎng)度l1為45mm,保護(hù)氣孔的直徑d2為2mm,保護(hù)氣孔出口端端中心與陽極噴嘴前端面的距離l2為8mm,保護(hù)氣孔的角度α為75.5°,混合氣由氬氣和氫氣組成,氫氣流量:氬氣流量為25%,工作電流i為420a,工作功率p為58kw,送粉氣為ar,壓力p3為0.6mpa,送粉氣流量q3為7l/min,送粉量pfr為15g/min,噴涂距離d為80mm。最后形成的涂層中原子數(shù)量比ti:o最高可到達(dá)1:1.87。空位氧化鈦涂層截面顯微圖如圖5所示。
實(shí)施例二
噴涂粉末為團(tuán)聚無空位的tio2粉末,原子數(shù)量比ti:o=1:2,粉末粒度為15~45μm,混合氣壓力p1為0.4mpa,保護(hù)氣為ar,壓力p2為0.3mpa,混合氣流量q1為150l/min,保護(hù)氣流量q2為30l/min,喉口孔徑d0為3.2mm,噴嘴出口d1為6.5mm,噴嘴長(zhǎng)度l1為45mm,保護(hù)氣孔的直徑d2為2mm,保護(hù)氣孔出口端端中心與陽極噴嘴前端面的距離l2為8mm,保護(hù)氣孔的角度α為75.5°,混合氣由氬氣和氫氣組成,氫氣流量:氬氣流量為25%,工作電流i為420a,工作功率p為58kw,送粉氣為ar,壓力p3為0.6mpa,送粉氣流量q3為7l/min,送粉量pfr為15g/min,噴涂距離d為80mm。最后形成的涂層中原子數(shù)量比ti:o最高可到達(dá)1:1.92。
實(shí)施例三
噴涂粉末為團(tuán)聚的空位tio2粉末,原子數(shù)量比ti:o=1:1.95,粉末粒度為15~45μm,不使用保護(hù)氣體,混合氣壓力p1為0.4mpa,混合氣流量q1為150l/min,喉口孔徑d0為3.2mm,噴嘴出口d1為6.5mm,噴嘴長(zhǎng)度l1為45mm,保護(hù)氣孔的直徑d2為2mm,保護(hù)氣孔出口端端中心與陽極噴嘴前端面的距離l2為8mm,保護(hù)氣孔的角度α為75.5°,混合氣由氬氣和氫氣組成,氫氣流量:氬氣流量為25%,工作電流i為420a,工作功率p為58kw,送粉氣為ar,壓力p3為0.6mpa,送粉氣流量q3為7l/min,送粉量pfr為15g/min,噴涂距離d為80mm。最后形成的涂層中原子數(shù)量比ti:o最高可到達(dá)1:1.92。
實(shí)施例四
噴涂粉末為團(tuán)聚無空位的tio2粉末,原子數(shù)量比ti:o=1:2,粉末粒度為15~45μm,不使用保護(hù)氣體,混合氣壓力p1為0.4mpa,混合氣流量q1為150l/min,喉口孔徑d0為3.2mm,噴嘴出口d1為6.5mm,噴嘴長(zhǎng)度l1為45mm,保護(hù)氣孔的直徑d2為2mm,保護(hù)氣孔出口端端中心與陽極噴嘴前端面的距離l2為8mm,保護(hù)氣孔的角度α為75.5°,混合氣由氬氣和氫氣組成,氫氣流量:氬氣流量為25%,工作電流i為420a,工作功率p為58kw,送粉氣為ar,壓力p3為0.6mpa,送粉氣流量q3為7l/min,送粉量pfr為15g/min,噴涂距離d為80mm。最后形成的涂層中原子數(shù)量比ti:o最高可到達(dá)1:1.95。
盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上,但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用,它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域,對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言,可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改,因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下,本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
技術(shù)特征:
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種大氣環(huán)境中采用超音速等離子噴涂在銅或銅合金上制備空位氧化鈦導(dǎo)電陶瓷涂層的方法,在超音速等離子噴槍中輸入氧化鈦,輸入的氧化鈦可以是空位氧化鈦,也可以是沒有空位的二氧化鈦,以Ar為主氣,H2為次級(jí)氣,以Ar為保護(hù)氣,在經(jīng)過凈化、粗化預(yù)處理的銅或銅合金基體上進(jìn)行噴涂,至涂層厚度達(dá)到10~300μm。本發(fā)明獲得的氧化鈦涂層分子式TiOx中x的值為1.9~1.9995,導(dǎo)電率大于等于10?1s/cm,涂層制備方法簡(jiǎn)單、可操作性、對(duì)工件形狀的適應(yīng)性強(qiáng)、噴涂成本低、效率高,可廣泛應(yīng)用于礦山、石化、電子電路、電導(dǎo)屏蔽、壓敏傳感等領(lǐng)域,特別是可應(yīng)用于高鐵銅導(dǎo)線表面防護(hù),在滿足導(dǎo)線導(dǎo)電率需求的同時(shí),增強(qiáng)導(dǎo)線的耐磨性、防腐性,顯著提高銅導(dǎo)線的使用壽命。
技術(shù)研發(fā)人員:趙福長(zhǎng);劉天寅;劉明
受保護(hù)的技術(shù)使用者:寶雞市新福泉機(jī)械科技發(fā)展有限責(zé)任公司
技術(shù)研發(fā)日:2017.05.10
技術(shù)公布日:2017.09.05
聲明:
“氧化鈦導(dǎo)電陶瓷涂層的制備方法與流程” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究,如用于商業(yè)用途,請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)