本發(fā)明屬于熱噴涂加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及使用熱噴涂方法制備石墨烯增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種具有獨(dú)特物理化學(xué)特性的新材料。該材料是目前世界上最薄最堅(jiān)硬的材料之一。同時(shí)擁有優(yōu)異的電學(xué)性能(禁帶寬度約等于0，載流子遷移率達(dá)到2×105cm²·V－1·s－1)、卓越的力學(xué)性能(楊氏模量為1100GPa，斷裂強(qiáng)度為125GPa)以及良好的熱學(xué)性能(熱導(dǎo)率約為5000W·m－1·K－1，熱膨脹系數(shù)極低)。自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯已經(jīng)被廣泛用來(lái)制備各種各樣的新材料，特別是功能復(fù)合材料。

石墨烯增強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究起步晚，目前主要集中在制備石墨烯增強(qiáng)Al基，Ni基，Cu基復(fù)合材料。在塊狀石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料里，石墨烯分布在晶界上，細(xì)化晶粒，提高材料的屈服強(qiáng)度和硬度的作用。這些材料的制備過程繁瑣復(fù)雜，制造成本居高不下，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，它們也都局限于特殊要求的應(yīng)用領(lǐng)域。

由于石墨烯所具有的特性，適合于在各種需要耐磨層實(shí)現(xiàn)防磨目的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是有滑動(dòng)摩擦磨損或滾動(dòng)摩擦磨損的接觸面的改性應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種使用熱噴涂方法制備石墨烯增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法，該方法能夠在基體表面涂覆出少層石墨烯增強(qiáng)焊層，從而大大提高了基體的表面硬度和耐磨性能。

本發(fā)明采用如下方案解決上述技術(shù)問題：使用熱噴涂方法制備石墨烯增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括如下步驟：

a)噴砂通過打磨方式清除基體表面的殘余物質(zhì)，使基體表面粗糙，改善基體與噴涂層間的結(jié)合強(qiáng)度；

b)熱噴工作層采用熱噴涂噴槍及鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲，對(duì)所述基體表面進(jìn)行熱噴涂，使所述基體表面生成少層鐵基石墨烯增強(qiáng)復(fù)合涂層，該涂層表面包含有均勻分布的少層石墨烯細(xì)化晶粒；

其中，所述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、難熔金屬、納米級(jí)Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：難熔金屬：納米級(jí)Al₂O₃粉末＝40-85：1-10：7.6-10：2-20：1-4：1-5：5-20，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質(zhì)量比為40-80：0.1-1.5。

優(yōu)化的，所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

優(yōu)化的，所述難熔金屬為V、Nb、Ta、Mo、W中的至少一種。

優(yōu)化的，采用超音速電弧噴涂裝置進(jìn)行操作施工，其工作電壓為18-40V，工作電流為180-500A，噴涂工作距離為200-800mm，壓縮空氣壓力為0.4-1.0MPa。

優(yōu)化的，所述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲由如下步驟制備而成：

a)選取粒徑為100-500nm的石墨粉與粒徑為53-96um的鐵粉，按照重量比1：8-20的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，100‐150℃保溫0.5‐2.0小時(shí)；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉(zhuǎn)入機(jī)械混合容器中，啟動(dòng)機(jī)械混合容器繞軸旋轉(zhuǎn)，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結(jié)合，所述機(jī)械混合容器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為10–120rpm，攪拌時(shí)間為2-12小時(shí)；

d)攪拌完成后，將上述混合物用270目的格篩進(jìn)行篩分，保留未經(jīng)過270目篩孔的粉末，即為所述的鐵基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的鐵基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、難熔金屬、納米級(jí)Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機(jī)械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲；

其中，所述機(jī)械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅(qū)動(dòng)水平固定軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置；所述容器罐兩端設(shè)置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成15°-45°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；所述容器罐的直徑與高度比為1:1-3。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明采用一種鐵基石墨烯復(fù)合焊絲，通過熱噴涂方法，在基體表面生成少層石墨烯增強(qiáng)鐵基復(fù)合涂層，從而提高了基體的表面硬度和耐磨性能；該鐵基石墨烯復(fù)合焊絲含有可提高基材-熱噴涂層界面結(jié)合強(qiáng)度和封孔的成分，因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的熱噴涂工藝，本發(fā)明的操作工序更加簡(jiǎn)化，大大提高了工作效率和噴涂質(zhì)量；本發(fā)明的焊絲材料制備工藝簡(jiǎn)便，成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)制造，有利于石墨烯材料的廣泛應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中鐵基石墨烯復(fù)合焊料的工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)械混合容器機(jī)械混合過程示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

使用熱噴涂方法制備石墨烯增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括如下步驟：

a)噴砂通過打磨方式清除基體表面的殘余物質(zhì)，使基體表面粗糙，改善基體與噴涂層間的結(jié)合強(qiáng)度；

b)熱噴工作層采用熱噴涂噴槍及鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲，對(duì)所述基體表面進(jìn)行熱噴涂，使所述基體表面生成少層鐵基石墨烯增強(qiáng)復(fù)合涂層，該涂層表面包含有均勻分布的少層石墨烯細(xì)化晶粒；

其中，所述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Ta、納米級(jí)Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：Ta：納米級(jí)Al₂O₃粉末＝60：7：8：8：2：2：13，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質(zhì)量比為59.5：0.5。

所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

采用超音速電弧噴涂裝置進(jìn)行操作施工，其工作電壓為18-40V，工作電流為180-500A，噴涂工作距離為200-800mm，壓縮空氣壓力為0.4-1.0MPa。

所述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲由如下步驟制備而成：

a)選取粒徑為100-500nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：16的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，130℃保溫1小時(shí)；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉(zhuǎn)入機(jī)械混合容器中，啟動(dòng)機(jī)械混合容器繞軸旋轉(zhuǎn)，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結(jié)合，所述機(jī)械混合容器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為90rpm，混合時(shí)間為10小時(shí)；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進(jìn)行篩分，保留未經(jīng)過270目篩孔的粉末，即為所述的鐵基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的鐵基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Ta、納米級(jí)Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機(jī)械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲；

其中，所述機(jī)械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅(qū)動(dòng)水平固定軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置；所述容器罐兩端設(shè)置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成35°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:1.5。

本發(fā)明采用一種鐵基石墨烯復(fù)合焊絲，通過熱噴涂方法，在基體表面生成少層石墨烯增強(qiáng)鐵基復(fù)合涂層，從而提高了基體的表面硬度和耐磨性能；該鐵基石墨烯復(fù)合焊絲含有可提高基材-熱噴涂層界面結(jié)合強(qiáng)度和封孔的成分，因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的熱噴涂工藝，本發(fā)明的操作過程省去了熱噴打底層和應(yīng)用封孔劑兩道工序，工序更加更加簡(jiǎn)化，大大提高了工作效率和噴涂質(zhì)量；本發(fā)明的焊絲材料制備工藝簡(jiǎn)便，成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)制造，有利于石墨烯材料的廣泛應(yīng)用。

實(shí)施例2

使用熱噴涂方法制備石墨烯增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括如下步驟：

a)噴砂通過打磨方式清除基體表面的殘余物質(zhì)，使基體表面粗糙，改善基體與噴涂層間的結(jié)合強(qiáng)度；

b)熱噴工作層采用熱噴涂噴槍及鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲，對(duì)所述基體表面進(jìn)行熱噴涂，使所述基體表面生成少層鐵基石墨烯增強(qiáng)復(fù)合涂層，該涂層表面包含有均勻分布的少層石墨烯細(xì)化晶粒；

其中，所述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、V、納米級(jí)Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：V：納米級(jí)Al₂O₃粉末＝70：5：6：7.6：1：2：8.4，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質(zhì)量比為68.7：1.3。

所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

采用超音速電弧噴涂裝置進(jìn)行操作施工，其工作電壓為18-40V，工作電流為180-500A，噴涂工作距離為200-800mm，壓縮空氣壓力為0.4-1.0MPa。

所述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲由如下步驟制備而成：

a)選取粒徑為100-500nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：18的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，110℃保溫1.2小時(shí)；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉(zhuǎn)入機(jī)械混合容器中，啟動(dòng)機(jī)械混合容器繞軸旋轉(zhuǎn)，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結(jié)合，所述機(jī)械混合容器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為100rpm，混合時(shí)間為6小時(shí)；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進(jìn)行篩分，保留未經(jīng)過270目篩孔的粉末，即為所述的鐵基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的鐵基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、V、納米級(jí)Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機(jī)械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲；

其中，所述機(jī)械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅(qū)動(dòng)水平固定軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置；所述容器罐兩端設(shè)置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成40°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:2。

實(shí)施例3

使用熱噴涂方法制備石墨烯增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括如下步驟：

a)噴砂通過打磨方式清除基體表面的殘余物質(zhì)，使基體表面粗糙，改善基體與噴涂層間的結(jié)合強(qiáng)度；

b)熱噴工作層采用熱噴涂噴槍及鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲，對(duì)所述基體表面進(jìn)行熱噴涂，使所述基體表面生成少層鐵基石墨烯增強(qiáng)復(fù)合涂層，該涂層表面包含有均勻分布的少層石墨烯細(xì)化晶粒；

其中，所述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Nb、納米級(jí)Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：Nb：納米級(jí)Al₂O₃粉末＝71：5：10：5：2.1：1.9：5，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質(zhì)量比為70：1。

所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

采用超音速電弧噴涂裝置進(jìn)行操作施工，其工作電壓為18-40V，工作電流為180-500A，噴涂工作距離為200-800mm，壓縮空氣壓力為0.4-1.0MPa。

所述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲由如下步驟制備而成：

a)選取粒徑為100-500nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：18的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，120℃保溫0.5小時(shí)；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉(zhuǎn)入機(jī)械混合容器中，啟動(dòng)機(jī)械混合容器繞軸旋轉(zhuǎn)，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結(jié)合，所述機(jī)械混合容器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為120rpm，混合時(shí)間為3小時(shí)；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進(jìn)行篩分，保留未經(jīng)過270目篩孔的粉末，即為所述的鐵基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的鐵基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Nb、納米級(jí)Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機(jī)械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲；

其中，所述機(jī)械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅(qū)動(dòng)水平固定軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置；所述容器罐兩端設(shè)置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成20°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:2。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。