一种智能复合涂层器件及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及智能传感涂层技术领域，涉及Na

背景技术

表面涂层是再制造零件的主要载体，对零件的服役寿命有着决定性作用。表面工程技术是有效的表面强化和延寿途径，可以有效改善机械零件表面的性能。目前表面涂层主要侧重在传统的耐磨、耐腐蚀性能的研究，随着科技的发展，传统材料的研究难以跟上科技的迭代更新。在新时代科技发展中，对机械零件损伤行为进行实时监测已经逐渐被研究者们所关注，这种监测方式能够有效延长机械零件寿命，避免出现重大事故以及经济损失。

目前传统的监测方法多是基于振动与噪声信号进行诊断，但由于机械零件的工作环境复杂以及干扰信号强，都会使得特征信息变得相对微弱、阻抗高、信噪比大、信号失真，难以准确地收集到所需的特征信号，无法快速、准确地对零件损伤行为做出判断，更加无法实现实时、在线和动态的“准确掌握”。由于智能传感单元可以实时监测零件的损伤情况，所以，引入智能传感单元成为了业内研究的首选目标。当前常用的智能传感单元为压电传感器，在应用过程中需要将压电传感器粘贴到零件表面，但由于一些机械零件的工作环境恶劣复杂，导致传感器与设备之间的结合程度较差，影响传递信号，导致监测精度较差、甚至出现剥离脱落的情况。

因此，如何开发一种高质量的监测方法，解决传统的监测方式和现有的压电传感器存在的上述问题，已成为业内诸多研究人员广为关注的焦点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供Na

本发明提供了Na

所述Na

优选的，所述Na

所述Na

所述复合涂层还包括复合在所述Na

所述Na

优选的，所述镍基金属涂层具体为NiCrCoAlY过渡层；

所述镍基金属涂层的厚度为100～150μm；

所述镍基金属涂层的形成方法包括超音速等离子喷涂法；

所述Na

优选的，所述镍基金属涂层用于增强镍基金属涂层和基底之间的结合力，和/或，镍基金属涂层和Na

所述镍基金属涂层和基底之间的结合力为55～65MPa；

所述镍基金属涂层和Na

所述Na

本发明提供了一种复合涂层，所述复合涂层包括Na

本发明还提供了一种具有智能复合涂层的器件，包括：基底；

复合在基底上的镍基金属过渡层；

复合在镍基金属过渡层上的Na

复合在Na

优选的，所述智能复合涂层具体为具有压电传感器功能的智能复合涂层；

所述基底具体为具有粗糙表面的基底；

所述Na

所述基底包括待监测的零部件基体；

所述基底作为第一电极，所述复合在所述Na

所述Na

所述Na

本发明还提供了一种如上述技术方案任意一项所述的具有智能复合涂层的器件的制备方法，包括以下步骤：

1)对基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在上述基底表面形成镍基金属过渡层；

2)将Na

优选的，所述粗糙化预处理的方式包括喷砂工艺；

所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为90～100L/min；

所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，氢气流量为20～25L/min；

所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电压为130～150V；

所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电流为400～430A；

所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂距离为90～100mm；

所述Na

所述烧结的温度为1050～1150℃；

所述球形粉料的粒径为30～80μm。

优选的，所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为70～90L/min；

所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，氢气流量为10～15L/min；

所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电压为90～100V；

所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电流为300～320A；

所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂距离为80～100mm；

所述极化处理的温度为50～100℃；

所述极化处理的时间为15～45min。

所述极化处理过程中的电压起止范围为0～2500V。

本发明提供了Na

基于此，本发明特别将Na

本发明提供的具有Na

本发明提供的智能复合涂层，具有压电性能实现监测能力，而且加强了涂层与基体之间的紧密结合，避免出现涂层剥离等现象，避免了与压电传感器与零件结合强度较差的问题。本发明可以应用基体为金属基底，适用于较高强度的运动零件，可以为空压机、蒸汽涡轮机、泵的运动零件，还可以为重载齿轮、轴、销类零件等。

附图说明

图1为本发明提供的压电效应原理图；

图2为本发明提供的智能复合涂层器件的制备工艺流程简要示意图；

图3为本发明制备的Na

图4为本发明制备的Na

图5为本发明采用的超音速等离子喷涂的工作过程示意图；

图6为本发明实施例制备的Na

图7为本发明实施例制备的Na

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。

本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或压电传感器制备领域使用的常规纯度即可。

压电性：电介质在压力作用下发生极化而在两端表面间出现电位差的性质。

铁电性：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷中心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，且电偶极矩方向可以因外电场而改变，呈现出类似于铁磁体的特点，晶体的这种性质叫铁电性。

介电性能：介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，该词通常用介电常数和介质损耗来表示。

本发明提供了Na

所述Na

在本发明中，所述Na

在本发明中，所述Na

在本发明中，所述复合涂层还优选包括复合在所述Na

在本发明中，所述Na

在本发明中，所述镍基金属涂层具体优选为NiCrCoAlY过渡层。

在本发明中，所述镍基金属涂层的厚度优选为100～150μm，更优选为110～140μm，更优选为120～130μm。

在本发明中，所述镍基金属涂层的形成方法优选包括超音速等离子喷涂法。

在本发明中，所述Na

在本发明中，所述镍基金属涂层优选用于增强镍基金属涂层和基底之间的结合力，和/或，镍基金属涂层和Na

在本发明中，所述镍基金属涂层和基底之间的结合力优选为55～65MPa，更优选为57～63MPa，更优选为59～61MPa。

在本发明中，所述镍基金属涂层和Na

在本发明中，所述Na

本发明提供了一种复合涂层，所述复合涂层包括Na

本发明提供了一种具有智能复合涂层的器件，包括：基底；

复合在基底上的镍基金属过渡层；

复合在镍基金属过渡层上的Na

复合在Na

在本发明中，所述智能复合涂层具体为优选具有压电传感器功能的智能复合涂层。

在本发明中，所述基底具体优选为具有粗糙表面的基底。

在本发明中，所述Na

在本发明中，所述基底优选包括待监测的零部件基体。

在本发明中，所述基底作为第一电极，所述复合在所述Na

在本发明中，所述Na

在本发明中，所述Na

在本发明中，所述复合在Na

本发明提供了一种如上述技术方案任意一项所述的具有智能复合涂层的器件的制备方法，包括以下步骤：

1)对基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在上述基底表面形成镍基金属过渡层；

2)将Na

本发明首先对基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在上述基底表面形成镍基金属过渡层。

在本发明中，所述粗糙化预处理的方式优选包括喷砂工艺。

在本发明中，所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，惰性气体流量优选为90～100L/min，更优选为92～98L/min，更优选为94～96L/min。

在本发明中，所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，氢气流量优选为20～25L/min，更优选为21～24L/min，更优选为22～23L/min。

在本发明中，所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电压优选为130～150V，更优选为134～146V，更优选为138～142V。

在本发明中，所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电流优选为400～430A，更优选为405～425A，更优选为410～420A。

在本发明中，所述步骤1)中的超音速等离子喷涂中，喷涂距离优选为90～100mm，更优选为92～98mm，更优选为94～96mm。

本发明再将Na

在本发明中，所述Na

在本发明中，所述烧结的温度优选为1050～1150℃，更优选为1070～1130℃，更优选为1090～1110℃。

在本发明中，所述球形粉料的粒径优选为30～80μm，更优选为40～70μm，更优选为50～60μm。

在本发明中，所述喷砂的砂料优选为棕刚玉。

在本发明中，所述喷砂的气压优选为0.5～1MPa，更优选为0.6～0.9MPa，更优选为0.7～0.8MPa。

在本发明中，所述喷砂的角度优选为30°～60°，更优选为35°～55°，更优选为40°～50°。

在本发明中，所述喷砂的距离优选为130～160mm，更优选为135～155mm，更优选为140～150mm。

在本发明中，所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，惰性气体流量优选为70～90L/min，更优选为74～86L/min，更优选为78～82L/min。

在本发明中，所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，氢气流量优选为10～15L/min，更优选为11～14L/min，更优选为12～13L/min。

在本发明中，所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电压优选为90～100V，更优选为92～98V，更优选为94～96V。

在本发明中，所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂电流优选为300～320A，更优选为304～316A，更优选为308～312A。

在本发明中，所述步骤2)中的超音速等离子喷涂中，喷涂距离优选为80～100mm，更优选为84～96mm，更优选为88～92mm。

在本发明中，所述极化处理的温度优选为50～100℃，更优选为60～90℃，更优选为70～80℃。

在本发明中，所述极化处理的时间优选为15～45min，更优选为20～40min，更优选为25～35min。

在本发明中，所述极化处理过程中的电压起止范围优选为0～2500V，更优选为100～2000V，更优选为300～1500V，更优选为500～1000V。

在本发明中，在机械零件表面制备智能压电涂层，通过压电陶瓷的压电效应来实现对零件的实时监测。其中，压电效应指的是当材料受到外力作用下，材料内部由于形变产生极化现象，电荷发生偏转，产生电信号。智能压电涂层的工作原理主要是，通过获取机械零件在工作中的出现的变形，磨损等损伤所产生的应变力信号，由压电效应转变为特征电信号，对特征电信号分析，可以判断工件损伤出现的时间、位置与程度的关键值。通过实时信号，实现对工件(如齿轮)失效情况的实时监测，有效避免了机械零件的损坏以及大型事故的发生。

参见图1，图1为本发明提供的压电效应原理图。

本发明为完整和细化整体技术方案，更好的实现对零部件表面的在线监测，进一步增强涂层质量以及结合力，同时增强对压电信号的收集能力，提高对基底表面的磨损状态实时监控、反馈的灵敏度，降低矫顽场，上述Na

本发明提供一种含有Na

参见图2，图2为本发明提供的智能复合涂层器件的制备工艺流程简要示意图。

进一步的，具体的制备过程可以包括以下步骤：

将烧结好的Na

参见图3，图3为本发明制备的Na

参见图4，图4为本发明制备的Na

具体的，在采用的喷砂工艺中，以白刚玉为砂料，所述白刚玉的粒度为15～30目，喷砂气压在0.6Mpa～0.8Mpa，喷砂角度选为45°，喷砂距离为130mm。

参见图5，图5为本发明采用的超音速等离子喷涂的工作过程示意图。

本发明为避免基体与陶瓷涂层之间出现热膨胀系数差异过大，导致出现集体和涂层的结合较差，所以在预处理过的基体表面喷涂一层过渡层，其中过渡层粉末为NiCrCoAlY粉末。

具体的，超音速等离子喷涂的工艺参数为氩气流量在90～100L/min，优选为95L/min，氢气流量在20～25L/min，优选为25L/min，喷涂电压为130～150V，优选为140V，喷涂电流为400～430A，优选为420A，喷涂距离为90～110mm，优选为100mm。喷涂前先预热30s，后用该工艺参数喷涂过渡层的厚度约为100μm。

在已喷涂过渡层的表面进行Na

具体的，超音速等离子喷涂的工艺参数为氩气流量为70～90L/min，优选为80L/min氢气流量为10～15L/min，优选为13L/min，喷涂电压90～100V，优选为100V，喷涂电流在300～320A，优选为310A，喷涂距离为80～100mm，优选为90mm。在喷涂前先预热30s，后用该工艺参数喷涂陶瓷涂层厚度约为200μm。喷涂完成后，对涂层表面进行检查，去除边缘毛刺、清洗不净等缺陷。

将所述陶瓷Na

具体的，电极优选为金电极，以提高其导电性，降低电流损耗。底电极一般情况下为45#钢基体。过滤或更换极化室内的绝缘油，以保证极化油和极化板的清洁。

将温度调节仪上面的温度调节为极化所需的问题，加热极化室，使得油温达到极化所需的温度。

具体的，时间设置为极化所需时间(一般在15min～45min，优选为30min)。将极化温度(一般在50～100℃，优化为80℃)预热过的Na

本发明上述内容提供了Na

本发明提供的具有Na

本发明提供的智能复合涂层，具有压电性能实现监测能力，而且加强了涂层与基体之间的紧密结合，避免出现涂层剥离等现象，避免了与压电传感器与零件结合强度较差的问题。本发明可以应用基体为金属基底，适用于较高强度的运动零件，可以为空压机、蒸汽涡轮机、泵的运动零件，还可以为重载齿轮、轴、销类零件等。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的Na

实施例1

采用喷砂工艺对金属零部件基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在基底表面形成厚度为120μm的镍基金属过渡层。

其中，喷砂的砂料为棕刚玉。喷砂的气压为0.9MPa，喷砂的角度为30°，喷砂的距离为130mm。

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为90L/min，氢气流量为20L/min，喷涂电压为130V，喷涂电流为400A，喷涂距离为90mm。

本发明再将Na

其中，Na

再将球形粉料采用超音速等离子喷涂法在镍基金属过渡层表面形成Na

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为70L/min，氢气流量为10L/min，喷涂电压为90V，喷涂电流为300A，喷涂距离为80mm。

然后在陶瓷涂层上设置电极，最后进行极化处理后，得到具有Na

其中，极化处理的温度为50℃，极化处理的时间为15min，极化处理过程中的电压起止范围优选为0～2500V，更优选为1000V。

对本发明实施例1制备的智能复合涂层进行测试。

通过万能试样机对涂层的结合强度进行测试，取五组结合强度试样测试，结果分别为35.0Mpa、40.4Mpa、35.9Mpa、44.4Mpa、38.5Mpa。平均结合强度为38.84Mpa，表现为较好的结合强度。

对Na

参见图6，图6为本发明实施例制备的Na

参见图7，图7为本发明实施例制备的Na

如图6所示，Na

通过对Na

实施例2

采用喷砂工艺对金属零部件基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在基底表面形成镍基金属过渡层，厚度为90μm。

其中，喷砂的砂料为棕刚玉。喷砂的气压为0.8MPa，喷砂的角度为45°，喷砂的距离为140mm。

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为95L/min；氢气流量为25L/min，喷涂电压为140V，喷涂电流为420A，喷涂距离为95mm。

再将Na

其中，Na

再将球形粉料采用超音速等离子喷涂法在镍基金属过渡层表面形成Na

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为80L/min，氢气流量为15L/min，喷涂电压为100V，喷涂电流为320A，喷涂距离为85mm。

然后在陶瓷涂层上设置电极，最后进行极化处理后，得到具有Na

其中，极化处理的温度为70℃，极化处理的时间为30min，极化处理过程中的电压起止范围优选为0～2500V，更优选为1500V。

通过万能试样机对涂层的结合强度进行测试，取五组结合强度试样测试，结果平均结合强度为35.68Mpa，表现为较好的结合强度。

对Na

实施例3

采用喷砂工艺对金属零部件基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在基底表面形成镍基金属过渡层，厚度为85μm。

其中，喷砂的砂料为棕刚玉。喷砂的气压为1.0MPa，喷砂的角度为60°，喷砂的距离为150mm。

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为100L/min；氢气流量为25L/min，喷涂电压为145V，喷涂电流为430A，喷涂距离为80mm。

再将Na

其中，所述Na

再将球形粉料采用超音速等离子喷涂法在所述镍基金属过渡层表面形成Na

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为90L/min，氢气流量为20L/min，喷涂电压为110V，喷涂电流为320A，喷涂距离为85mm。

然后在陶瓷涂层上设置电极，最后进行极化处理后，得到具有Na

其中，极化处理的温度为100℃，极化处理的时间为20min，极化处理过程中的电压起止范围为0～2500V，更优选为2500V。

通过万能试样机对涂层的结合强度进行测试，取五组结合强度试样测试，结果平均结合强度为42.36Mpa，表现为较好的结合强度。

对Na

实施例4

采用喷砂工艺对金属零部件基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在基底表面形成镍基金属过渡层，厚度为75μm。

其中，喷砂的砂料为棕刚玉。喷砂的气压为0.9MPa，喷砂的角度为45°，喷砂的距离为130mm。

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为110L/min；氢气流量为23L/min，喷涂电压为140V，喷涂电流为420A，喷涂距离为85mm。

再将Na

其中，所述Na

再将球形粉料采用超音速等离子喷涂法在所述镍基金属过渡层表面形成Na

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为95L/min，氢气流量为25L/min，喷涂电压为120V，喷涂电流为330A，喷涂距离为90mm。

然后在陶瓷涂层上设置电极，最后进行极化处理后，得到具有Na

其中，极化处理的温度为80℃，极化处理的时间为35min，极化处理过程中的电压起止范围为0～2500V，更优选为1100V。

通过万能试样机对涂层的结合强度进行测试，取五组结合强度试样测试，结果平均结合强度为35.36Mpa，表现为较好的结合强度。

对Na

实施例5

采用喷砂工艺对金属零部件基底表面进行粗糙化预处理后，再采用超音速等离子喷涂法在基底表面形成镍基金属过渡层。厚度为120μm。

其中，喷砂的砂料为棕刚玉。喷砂的气压为0.8MPa，喷砂的角度为40°，喷砂的距离为150mm。

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为90L/min；氢气流量为25L/min，喷涂电压为135V，喷涂电流为420A，喷涂距离为85mm。

再将Na

其中，所述Na

再将球形粉料采用超音速等离子喷涂法在所述镍基金属过渡层表面形成Na

其中，超音速等离子喷涂中，惰性气体流量为90L/min，氢气流量为20L/min，喷涂电压为110V，喷涂电流为320A，喷涂距离为85mm。

然后在陶瓷涂层上设置电极，最后进行极化处理后，得到具有Na

其中，极化处理的温度为70℃，极化处理的时间为30min，极化处理过程中的电压起止范围为0～2500V，更优选为1500V。

通过万能试样机对涂层的结合强度进行测试，取五组结合强度试样测试，结果平均结合强度为37.36Mpa，表现为较好的结合强度。

对Na

以上对本发明提供的Na