一种反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层及其制备方法

1.本发明公开一种反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层及其制备方法，属于耐磨涂层制备技术领域。


背景技术：

2.反应釜的广义理解即有物理或化学反应的容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。反应釜常常处于高温、强腐蚀环境下进行工作，加之在搅拌器的作用下反应物会对反应釜内壁进行一定程度的磨损，在强腐蚀，高磨损工况下工作会大大减少反应釜寿命。例如在锡化工生产中，固体主要为精锡原料，液体为某些酸性或碱性原料在加热条件下制备偏锡酸，所使用的反应釜材料是锆，通过研究发现在高温环境下锆基表面会氧化生成zro2，氧化层有着较好的耐腐蚀耐磨损性能，但是由于锆基和氧化层的力学不匹配会影响氧化层与基体结合强度，在长时间腐蚀磨损以后反而会加剧反应釜材料的损耗。
3.传统制备镀层方法包括真空蒸镀、离子镀、磁控溅射镀膜和电化学沉积等方法，采用离子镀会在工件表面沉积较大颗粒(5-10μm)导致膜层表面粗糙度较大，在所镀的膜中会包裹一些颗粒易导致膜层在长时间使用过程中剥离失效，使得膜层的耐磨性能受到影响，会大大降低设备使用寿命；真空蒸发不容易获得结晶结构的薄膜，同时工艺重复性也不够良好。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种具有梯度结构的耐磨耐腐蚀zro2梯度涂层，所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的靶材为zro2，所述耐磨耐腐蚀梯度涂层包含多层晶粒大小不同的梯度层，所述梯度涂层的总厚度为100-300nm，根据晶粒大小分为粗晶区，细晶区和超细晶区，控制各梯度厚度为30-100nm。
5.本发明的另一目的在于提供所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
6.(1)对反应釜基材进行表面预处理，表面无污染物和锈点，基材表面平整，粗糙到在ra0.1及以下。
7.(2)将镍粉和二氧化锆不同粒度的按(30-40):(60-70)的质量比例混合，压制烧结成电极。
8.(3)将烧结的电极加工成圆棒状，并对表面进行机械打磨和抛光，超声清洗去除表面油污和锈点。
9.(4)电火花沉积前，将电极在枪头夹具上固定，将反应釜基体固定在工作台上，电极连通阳极，被加工基体材料与阴极相连，通入氩气进行保护。
10.(5)对反应釜进行三次重复的电火花沉积技术，依次选择5-15μm、20-30μm、35-50μm三个等级的电极，制备梯度耐磨耐腐蚀涂层；将表面生成耐磨耐腐蚀梯度涂层后的反应釜
基材放入丙酮中浸泡后清洗干净并烘干，将烘干后的反应釜基材真空密封保存。
11.优选的，本发明所述反应釜基材为碳锰钢、不锈钢、锆、镍基合金中的一种。
12.优选的，本发明所述表面预处理方法为采用80-1500目金相砂纸对基材表面进行打磨，打磨结束后采用无水乙醇或丙酮为溶剂进行超声波除污清洗并干燥。
13.优选的，本发明所述步骤(2)中压制压强为30-45mpa，烧结温度与时间分别为900-1000℃和30-40min。
14.优选的，本发明所述电火花沉积技术的具体工艺参数为：功率为：900-1200w，氩气流量为：15-20l/min，电极旋转速率：3000-4000r/min，单位面积沉积时间为：1-2cm/min。
15.本发明的技术效果在于：
16.本发明通过调整复合电极材料配比、晶粒大小、电火花技术等参数控制zro2膜的生长，优化薄膜结构，形成一种晶粒大小呈梯度分布的耐磨耐腐蚀薄膜，梯度分布的涂层提升界面结合强度，使涂层在工作环境下不易脱落，从而提升耐磨耐腐蚀性能，延长了使用寿命，并且此方法沉积速度快，制备周期短，薄膜表面不会出现大颗粒，整个梯度层致密度良好。
17.本发明使用电火花沉积技术，热输入量小对基材影响小，但能获得与基材优异的冶金结合能力；通过控制粒度提升沉积的均匀性，从而避免涂层的过早剥落影响耐磨耐腐蚀性能。
附图说明
18.图1为本发明实施例的制造方法流程示意图。
19.图2为本发明实施例的耐磨耐腐蚀梯度涂层结构图。
20.图3为本发明实施例的耐磨耐腐蚀梯度涂层截面扫描电镜图片。
21.图4为本发明实施例的耐磨耐腐蚀梯度涂层表面扫描电镜图片。
具体实施方式
22.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
23.实施例1
24.一种反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层及其制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
25.(1)对锆基材进行预处理，采用80-1500目金相砂纸对基材表面进行打磨，打磨结束后采用无水乙醇或丙酮为溶剂进行超声波除污清洗并干燥去除表面的污染物，锈点。
26.(2)将预处理的反应釜基材放入真空室，真空室真空度为1
×
10-1
pa，气氛为氩气，纯度为99.90％，对基材表面进行真空离子清洗。
27.(3)选取镍粉和二氧化锆粉末(镍粉和二氧化锆质量比为30:70)压制烧结成电极材料，控制二氧化锆粒度为5-15μm，20-30μm，35-50μm三个等级，烧结温度选取950℃，压制压强控制为40mpa，烧结时间为35min。
28.(4)将烧结的电极加工成圆棒状，采用80-1500目金相砂纸对电极进行打磨，打磨结束后采用无水乙醇或丙酮为溶剂进行超声波除污清洗并干燥去除表面的污染物，锈点。
29.(5)在氩气保护下进行第一次电火花沉积，功率为：950w，氩气流量为：15l/min，电极旋转速率：3000r/min，单位面积沉积时间为：1cm/min；此次沉积选取5-15μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层细小晶粒，厚度为50nm。
30.(6)第一次电火花沉积结束后，更换电极，在氩气保护下进行第二次电火花沉积，功率为：1000w，氩气流量为：15l/min，电极旋转速率：3500r/min，单位面积沉积时间为：1.2cm/min；此次沉积选取20-30μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层细晶粒区，厚度为50nm。
31.(7)第二次电火花沉积结束后，更换电极，在氩气保护下进行第三次电火花沉积，功率为：1100w，氩气流量为：20l/min，电极旋转速率：3500r/min，单位面积沉积时间为：1.5cm/min；此次沉积选取35-50μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层粗晶粒区，厚度为50nm。
32.(8)结束电火花沉积，将装置关闭。
33.本实施例所得耐磨耐腐蚀梯度涂层包含多层晶粒大小不同的梯度层，所述梯度涂层的总厚度为150nm。
34.图3、图4分别为耐磨耐腐蚀梯度涂层截面和表面扫描电镜图片，由图可以看出，耐磨耐腐蚀梯度涂层与反应釜基体结合紧密并且涂层厚度在300nm以内，从下到上晶粒依次增大；涂层表面无明显缺陷，表明涂层沉积性能优异，能满足反应釜耐磨耐腐蚀的工况。
35.本发明实施例制备得到的梯度涂层与基体之间结合良好，经测试界面结合强度达到65mpa，超过大部分涂层结合强度，不容易脱落。
36.实施例2
37.一种反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层及其制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
38.(1)对锆基材进行预处理，采用80-1500目金相砂纸对基材表面进行打磨，打磨结束后采用无水乙醇或丙酮为溶剂进行超声波除污清洗并干燥去除表面的污染物，锈点。
39.(2)将预处理的反应釜基材放入真空室，真空室真空度为1
×
10-1
pa，气氛为氩气，纯度为99.90％，对基材表面进行真空离子清洗。
40.(3)选取镍粉和二氧化锆粉末(镍粉和二氧化锆质量比为40:60)压制烧结成电极材料，控制二氧化锆粒度为5-15μm，20-30μm，35-50μm三个等级，烧结温度选取1000℃，压制压强控制为30mpa，烧结时间为30min。
41.(4)将烧结的电极加工成圆棒状，采用80-1500目金相砂纸对电极进行打磨，打磨结束后采用无水乙醇或丙酮为溶剂进行超声波除污清洗并干燥去除表面的污染物，锈点。
42.(5)在氩气保护下进行第一次电火花沉积，功率为：900w，氩气流量为：18l/min，电极旋转速率：4000r/min，单位面积沉积时间为：2cm/min；此次沉积选取5-15μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层细小晶粒，厚度为30nm。
43.(6)第一次电火花沉积结束后，更换电极，在氩气保护下进行第二次电火花沉积，功率为：900w，氩气流量为：20l/min，电极旋转速率：3000r/min，单位面积沉积时间为：1.2cm/min；此次沉积选取20-30μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层细晶粒区，厚度为70nm。
44.(7)第二次电火花沉积结束后，更换电极，在氩气保护下进行第三次电火花沉积，
功率为：1100w，氩气流量为：20l/min，电极旋转速率：3500r/min，单位面积沉积时间为：1.5cm/min；此次沉积选取35-50μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层粗晶粒区，厚度为100nm。
45.(8)结束电火花沉积，将装置关闭。
46.本实施例所得耐磨耐腐蚀梯度涂层包含多层晶粒大小不同的梯度层，所述梯度涂层的总厚度为200nm。
47.本发明实施例制备得到的梯度涂层与基体之间结合良好，经测试界面结合强度达到63mpa，超过大部分涂层结合强度，不容易脱落。
48.实施例3
49.一种反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层及其制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
50.(1)对锆基材进行预处理，采用80-1500目金相砂纸对基材表面进行打磨，打磨结束后采用无水乙醇或丙酮为溶剂进行超声波除污清洗并干燥去除表面的污染物，锈点。
51.(2)将预处理的反应釜基材放入真空室，真空室真空度为1
×
10-1
pa，气氛为氩气，纯度为99.90％，对基材表面进行真空离子清洗。
52.(3)选取镍粉和二氧化锆粉末(镍粉和二氧化锆质量比为35:65)压制烧结成电极材料，控制二氧化锆粒度为5-15μm，20-30μm，35-50μm三个等级，烧结温度选取900℃，压制压强控制为45mpa，烧结时间为40min。
53.(4)将烧结的电极加工成圆棒状，采用80-1500目金相砂纸对电极进行打磨，打磨结束后采用无水乙醇或丙酮为溶剂进行超声波除污清洗并干燥去除表面的污染物，锈点。
54.(5)在氩气保护下进行第一次电火花沉积，功率为：1200w，氩气流量为：20l/min，电极旋转速率：3500r/min，单位面积沉积时间为：1cm/min；此次沉积选取5-15μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层细小晶粒，厚度为60nm。
55.(6)第一次电火花沉积结束后，更换电极，在氩气保护下进行第二次电火花沉积，功率为：1200w，氩气流量为：18l/min，电极旋转速率：3500r/min，单位面积沉积时间为：1.2cm/min；此次沉积选取20-30μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层细晶粒区，厚度为50nm。
56.(7)第二次电火花沉积结束后，更换电极，在氩气保护下进行第三次电火花沉积，功率为：1100w，氩气流量为：20l/min，电极旋转速率：4000r/min，单位面积沉积时间为：1.5cm/min；此次沉积选取35-50μm制成的复合电极，在锆基材上沉积一层粗晶粒区，厚度为120nm。
57.(8)结束电火花沉积，将装置关闭。
58.本实施例所得耐磨耐腐蚀梯度涂层包含多层晶粒大小不同的梯度层，所述梯度涂层的总厚度为230nm。
59.本发明实施例制备得到的梯度涂层与基体之间结合良好，经测试界面结合强度达到60mpa，超过大部分涂层结合强度，不容易脱落。

技术特征：
1.一种反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层，其特征在于：所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的靶材为zro2，所述耐磨耐腐蚀梯度涂层包含多层晶粒大小不同的梯度层，所述梯度涂层的总厚度为100-300nm，根据晶粒大小分为粗晶区，细晶区和超细晶区，控制各梯度厚度为30-100nm。2.权利要求1所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)对反应釜基材进行表面预处理，表面无污染物和锈点，基材表面平整，粗糙到在ra0.1及以下；(2)将镍粉和二氧化锆按(30-40):(60-70)的质量比例混合，二氧化锆粒度为5-15μm，20-30μm，35-50μm三个等级，分别压制烧结得到3个电极；(3)将烧结的电极加工成圆棒状，并对表面进行机械打磨和抛光，超声清洗去除表面油污和锈点；(4)电火花沉积前，将电极在枪头夹具上固定，将反应釜基体固定在工作台上，电极连通阳极，被加工基体材料与阴极相连，通入氩气进行保护；(5)对反应釜进行三次重复的电火花沉积技术，依次选择5-15μm、20-30μm、35-50μm三个等级的电极，制备梯度耐磨耐腐蚀涂层。3.权利要求2所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的制备方法，其特征在于：反应釜基材为碳锰钢、不锈钢、锆、镍基合金中的一种。4.权利要求3所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述表面预处理方法为采用80-1500目金相砂纸对基材表面进行打磨，打磨结束后采用无水乙醇或丙酮为溶剂进行超声波除污清洗并干燥。5.权利要求2所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中压制压强为30-45mpa，烧结温度与时间分别为900-1000℃和30-40min。6.权利要求2所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的制备方法，其特征在于：电火花沉积技术的具体工艺参数为：功率为：900-1200w，氩气流量为：15-20l/min，电极旋转速率：3000-4000r/min，单位面积沉积时间为：1-2cm/min。7.权利要求2所述反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层的制备方法，其特征在于：将表面生成耐磨耐腐蚀梯度涂层后的反应釜基材放入丙酮中浸泡后清洗干净并烘干，将烘干后的反应釜基材真空密封保存。

技术总结
本发明公开一种反应釜表面耐磨耐腐蚀梯度涂层及其制备方法，属于耐磨涂层制备技术领域。本发明采用电火花沉积技术在常见的反应釜材料表面制备ZrO2的耐磨耐腐蚀涂层，耐磨耐腐蚀梯度涂层具有多层密度不同的梯度层；通过镍粉与二氧化锆粉末混合烧结制成电极，控制镍粉与二氧化锆的质量比例以及二氧化锆的粉末的粒径，采用电火花沉积技术，在反应釜基材表面形成耐磨耐腐蚀的梯度涂层；本发明制备周期短，涂层致密，能够满足反应釜基体在恶劣工作环境下的耐磨损与耐腐蚀性能。环境下的耐磨损与耐腐蚀性能。环境下的耐磨损与耐腐蚀性能。


技术研发人员：苏瑞春 山泉 杨习文 向春 刘新阳 张洪 黄沁源 黄谢东 陈鹏 周梦全 张旭 李发祥
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/9