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(wú)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(wú)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(wú)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(kāi)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(guò)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(lái)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(yáng)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(yáng)極噴嘴中保護(hù)氣孔軸線與陽(yáng)極噴嘴軸線夾角α滿足：



其中，l1為陽(yáng)極噴嘴長(zhǎng)度，l2為保護(hù)氣孔出口端中心與陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極噴嘴中輸入的氧化鈦為無(wú)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(shuō)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(yáng)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(shuō)明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說(shuō)明書(shū)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(yáng)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(yáng)極噴嘴或者軸向保護(hù)氣陽(yáng)極噴嘴來(lái)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(méi)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(guò)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(yáng)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(guò)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(yáng)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?？瘴谎趸佂繉咏孛骘@微圖如圖5所示。

實(shí)施例二

噴涂粉末為團(tuán)聚無(wú)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(yáng)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(yáng)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(wú)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(yáng)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(kāi)如上，但其并不僅僅限于說(shuō)明書(shū)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(kāi)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(méi)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(guò)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)