發(fā)明涉及材料技術領域或表面工程技術領域，具體涉及到一種基體表面耐氣蝕耐沖蝕的涂層及其制備方法。
背景技術：
海洋資源的開發(fā)利用、海洋工程設施的建設都離不開相關裝備設施的支持，如海上橋梁的鋼管樁、海上鉆井平臺、船舶、潛艇/深潛器、海底油氣開發(fā)設備等相關設施及關鍵裝備。這些設備設施除了受到一般的海水及海洋大氣等靜態(tài)腐蝕外，還有很多設備設施或運動部件受到嚴重的動態(tài)腐蝕磨損。其中，空泡腐蝕(氣蝕)和沖刷腐蝕(沖蝕)就是兩種常見的動態(tài)腐蝕磨損形式?？张輾馕g是指海水等液體在高速流動時，由于空泡的產(chǎn)生與破滅，對所接觸的結構材料產(chǎn)生水錘作用，其瞬間壓力可達數(shù)千倍大氣壓，能將材料表面上的腐蝕產(chǎn)物保護膜和襯里破除，使之不斷暴露新鮮表面而造成的腐蝕損壞，如螺旋槳葉片、內燃機活塞套等易發(fā)生此類腐蝕。沖刷腐蝕是指在湍流情況下，液體中夾帶的固體物質(例如泥沙等)對結構材料的沖擊(尤其是對結構突出部位的沖擊作用加劇)而產(chǎn)生的腐蝕損傷過程，例如泵的出水口和管路彎頭部位常發(fā)生這種現(xiàn)象的損傷。海洋環(huán)境的浪花飛濺區(qū)由于海浪沖擊引起的空泡氣蝕及沖刷腐蝕對防護材料的損傷非常嚴重，是浪濺區(qū)防護最大難點之一。為了防止結構材料受到海洋腐蝕，可以選用耐磨損較好的材料，如在海水中90Cu/10Ni優(yōu)于70Cu/30Ni；也可以改進結構設計，改變環(huán)境，或者選用涂層和陰極保護等。
從設備角度來看，防止沖蝕及氣蝕的破壞可以結合結構設計和材料選擇來實現(xiàn)。在滿足結構設計、運行條件兩方面前提下，選擇抗沖蝕抗氣蝕性能好的材料成為防止材料損傷的關鍵所在。可從兩方面入手：一是開發(fā)抗沖蝕氣蝕綜合性能更優(yōu)異的新型金屬材料，但是新材料的研發(fā)與制造成本非常昂貴，僅僅適用于大型部件和主要部件；二是從材料構件表面著手，利用先進的表面工程技術對過流部件提供表面防護，既可節(jié)約貴重材料，又可為易發(fā)生破壞的部位提供有效防護。
近年來國內外學者對金屬材料表面抗沖蝕抗氣蝕研究主要集中在利用現(xiàn)代表面改性技術，如激光表面改性技術、熱噴涂技術、物理氣相沉積、滲氮和堆焊等方法制備防護涂層。與熱噴涂及物理氣相沉積等技術相比，高固含量的復合涂層具有成本低、易施工等許多優(yōu)點而被廣泛應用。
立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)是僅次于金剛石的超硬材料，在熱導率及熱穩(wěn)定性等方面顯著優(yōu)于金剛石，在大氣中加熱至1200℃才發(fā)生氧化，而金剛石在大氣中的氧化溫度為600℃。立方氮化硼有著優(yōu)異的物理與化學性能，可應用于硬質耐磨材料、刀具涂層等方面。然而，目前將立方氮化硼作為抗沖蝕及氣蝕涂層材料而應用的報道還比較少。
公告號為CN101817684B的中國專利提供了一種多孔Si3N4基體表面涂敷h-BN的方法，主要介紹了在氮氣環(huán)境下利用碳熱還原法制備h-BN的方法，制得的氮化硼不同于高硬度的立方氮化硼，不涉及耐沖蝕方面的應用。公告號為CN103820763B的中國專利報道了一種在金剛石/銅復合基體表面制備Mo/AlN/BN涂層的方法，使用磁控濺射技術，利用BN作為抗氧化保護層，不涉及耐沖蝕氣蝕方面的應用。公告號為CN104593720A的中國專利公開了航空發(fā)動機壓氣機葉片抗沙塵沖蝕復合涂層及其制備方法，利用磁控濺射法制備了多層TiN涂層。公告號為CN104480443A的中國專利公開了一種硬韌納米復合ZrAlCuN涂層及其制備方法，利用磁控濺射技術制備了刀具及磨具的耐磨涂層及耐沖蝕防護涂層，該方法不適用于大面積施工，成本較高。公告號為CN1044404435A的中國專利公開了一種鍋爐管道的耐沖蝕磨損涂層的制備方法，利用超音速電弧噴涂方法，使用耐磨絲材制備了耐沖蝕涂層。公告號為CN103589984A的中國專利公開了Ni基合金-TiB2納米涂層的制備方法，采用超音速火焰噴涂的方法制備了金屬基陶瓷復合耐沖蝕涂層。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種基體表面耐氣蝕耐沖蝕的涂層，可保護基體應用于液固及氣液兩相流對流的環(huán)境中抗沖蝕與抗氣蝕，從而提升基體的使用壽命及安全性。
為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明提供的技術方案為：一種基體表面耐氣蝕耐沖蝕的涂層，其特征在于，以質量百分含量計，該涂層包括如下組分：
立方氮化硼：50％～90％，
環(huán)氧樹脂膠：4％～25％，
固化劑：4％～25％。
作為優(yōu)選，該涂層包括如下組分：
立方氮化硼：60％～80％，
環(huán)氧樹脂膠：10％～20％，
固化劑：5％～20％。
考慮到涂層的增韌效果，該涂層中優(yōu)選包含纖維，纖維含量優(yōu)選為0.01％～1％。所述的環(huán)氧樹脂膠不限，可以是常見環(huán)氧樹脂膠，例如E44、E51、E20等中的任選一種或者兩種以上的組合。
所述的固化劑是環(huán)氧樹脂固化劑，其種類不限，可以是脂肪胺類、芳香族、脂肪環(huán)類、改性胺類、酸酐類、低分子聚酰胺和潛伏性胺等常見固化劑中的任選一種或者兩種以上的組合。作為優(yōu)選，所述的固化劑為改性酚醛胺T31、脂肪胺、脂肪硫醇等中任選的一種或者兩種以上的組合。
作為優(yōu)選，所述的環(huán)氧樹脂膠與固化劑的質量比是1：0.75～1：1.25。
所述的纖維不限，包括芳綸纖維(Kevlar)K29、K49、K49AP、碳纖維等中的一種或者兩種以上的組合。
所述的基體表面耐氣蝕耐沖蝕的涂層還可以包含輔料，所述輔料優(yōu)選為Al2O3、SiO2等中的一種或者兩種，質量百分含量優(yōu)選為0.01％～1％。
本發(fā)明還提供了一種制備上述基體表面耐氣蝕耐沖蝕的涂層的方法，該方法包括以下步驟：
將立方氮化硼顆粒、環(huán)氧樹脂、固化劑按照質量比稱量，混合均勻得到混合體，將混合體涂敷在基體表面，室溫固化。
考慮到涂層的增韌效果，所述混合體中優(yōu)選包含纖維，纖維的質量百分含量優(yōu)選為0.01％～1％。為了提高混合體的均勻性，作為優(yōu)選，首先將纖維放入環(huán)氧樹脂中攪拌分散均勻，然后加入氮化硼顆粒分散均勻。
所述的固化優(yōu)選為室溫固化12～72小時。
所述的立方氮化硼顆粒的尺寸優(yōu)選在30～1000目范圍。為了填充空隙，選擇粒徑不同的立方氮化硼顆粒為宜，例如，包含顆粒尺寸為30～60目的小顆粒，70～150目的中顆粒，以及200～1000目的大顆粒。
綜上所述，本發(fā)明將立方氮化硼與高分子環(huán)氧樹脂材料復合，該復合材料作為基體涂層時具有耐氣蝕耐沖蝕性能，在100-200目的石英砂漿料，水流壓力為0.2MPa，沖蝕時間為30分鐘，沖蝕角度為90°條件下，沖蝕率小于0.2％，相對沖蝕率小于0.25，因此可以保護基體應用于液固及氣液兩相流對流的環(huán)境中抗沖蝕與抗氣蝕，從而提升基體的使用壽命及安全性。
具體實施方式
以下結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
下面實施例中所述的試驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。
本實施例提供一種基體表面的含氮化硼-環(huán)氧樹脂的抗沖蝕復合涂層。具體的實施例如下：
實施例1：
本實施例中，基體表面是具有耐氣蝕耐沖蝕的涂層，以質量百分含量計，該涂層組分及其含量為：
立方氮化硼；80％，
環(huán)氧樹脂膠E20：10％，
改性酚醛胺T31：9％，
碳纖維0.05％，
200～500目SiO2：0.95％。
該涂層制備步驟如下：
第一步：以總質量為100份數(shù)計，稱取30～60目的立方氮化硼顆80份，環(huán)氧樹脂膠E20 10份，碳纖維0.05份，改性酚醛胺T31(固化劑)9份；SiO2：0.95份；
第二步：將第一步中稱量得到的碳纖維倒入環(huán)氧樹脂中攪拌使其分散均勻，然后加入立方氮化硼顆粒與200～500目SiO2，攪拌分散均勻，得到混合原料；
第三步：將第一步中稱量得到的固化劑加入到第二步中得到的混合原料，攪拌均勻，然后涂敷在已做前處理的基體表面，室溫固化12～72小時，得到含氮化硼-環(huán)氧樹脂的復合涂層。
實施例2：
本實施例中，基體表面具有耐氣蝕耐沖蝕的涂層，以質量百分含量計，該涂層組分及其含量為：
立方氮化硼；60％，
環(huán)氧樹脂膠E44：20％，
二乙烯三胺：19％，
芳綸纖維(Kevlar)：0.05％，
200～500目Al2O3：0.95％。
該涂層制備步驟如下：
第一步：以總質量為100份數(shù)計，稱取30～60目的立方氮化硼顆粒60份，環(huán)氧樹脂膠E44 20份，芳綸纖維0.05份，二乙烯三胺(固化劑)19份，0.95份200～500目Al2O3；
第二步：將第一步中稱量得到的芳綸纖維倒入環(huán)氧樹脂中攪拌使其分散均勻，然后加入立方氮化硼顆粒與200～500目Al2O3，攪拌分散均勻，得到混合原料；
第三步：將第一步中稱量得到的固化劑加入到第二步中得到的混合原料，攪拌均勻，然后涂敷在已做前處理的基體表面，室溫固化16～72小時，得到含氮化硼-環(huán)氧樹脂的復合涂層。
實施例3：
本實施例中，基體表面具有耐氣蝕耐沖蝕的涂層，以質量百分含量計，該涂層組分及其含量為：
立方氮化硼含量；80％，
環(huán)氧樹脂膠E51：9％，
651低分子聚酰胺：10％，
芳綸纖維(Kevlar)：0.1％，
200～500目Al2O3：0.9％。
該涂層制備步驟如下：
第一步：以總質量為100份數(shù)計，稱取30～60目的立方氮化硼顆粒56份，70～150目的立方氮化硼8份，200～1000目的立方氮化硼16份，環(huán)氧樹脂膠E519份，芳綸纖維0.1份，651低分子量聚酰胺(固化劑)10份；200～500目Al2O3 0.9份；
第二步：將第一步中稱量得到的芳綸纖維倒入環(huán)氧樹脂中攪拌使其分散均勻，然后加入立方氮化硼顆粒與200～500目Al2O3，攪拌分散均勻，得到混合原料；
第三步：將第一步中稱量得到的固化劑加入到第二步中得到的混合原料，攪拌均勻，然后涂敷在已做前處理的基體表面，室溫固化16～72小時，得到含氮化硼-環(huán)氧樹脂的復合涂層。
實施例4：
本實施例中，基體表面具有耐氣蝕耐沖蝕的涂層，以質量百分含量計，該涂層組分及其含量為：
立方氮化硼含量；80％，
環(huán)氧樹脂膠E44：10％，
651低分子量聚酰胺與二乙烯三胺按照質量比1：1～4的混合物：9％，
芳綸纖維(Kevlar)：0.5％，
200～500目Al2O3：0.5％。
該涂層制備步驟如下：
第一步：以總質量為100份數(shù)計，稱取30～60目的立方氮化硼顆粒56份，70～150目的立方氮化硼12份，200～1000目的立方氮化硼12份，環(huán)氧樹脂膠E4410份，芳綸纖維0.5份，651低分子量聚酰胺與二乙烯三胺按照質量比1：1～4的混合物(固化劑)9份，200～500目Al2O3 0.5份；
第二步：將第一步中稱量得到的芳綸纖維倒入環(huán)氧樹脂中攪拌使其分散均勻，然后加入立方氮化硼顆粒與200～500目Al2O3，攪拌分散均勻，得到混合原料；
第三步：將第一步中稱量得到的固化劑加入到第二步中得到的混合原料，攪拌均勻，然后涂敷在已做前處理的基體表面，室溫固化16～72小時，得到含氮化硼-環(huán)氧樹脂的復合涂層。
實施例5：
本實施例中，基體表面具有耐氣蝕耐沖蝕的涂層，以質量百分含量計，該涂層組分及其含量為：
立方氮化硼含量；80％，
環(huán)氧樹脂膠E44：10％，
改性T31與二乙烯三胺按照質量比1：1～4的混合物：9％，
芳綸纖維(Kevlar)：0.05％，
200～500目Al2O3：0.95％。
該涂層制備步驟如下：
第一步：以總質量為100份數(shù)計，稱取30～60目的立方氮化硼顆粒56份，70～150目的立方氮化硼16份，200～1000目的立方氮化硼8份，環(huán)氧樹脂膠E4410份，芳綸纖維0.05份，改性T31與二乙烯三胺按照質量比1：1～4的混合物(固化劑)9份，200～500目Al2O3 0.95份；
第二步：將第一步中稱量得到的芳綸纖維倒入環(huán)氧樹脂中攪拌使其分散均勻，然后加入立方氮化硼顆粒與200～500目Al2O3，攪拌分散均勻，得到混合原料；
第三步：將第一步中稱量得到的固化劑加入到第二步中得到的混合原料，攪拌均勻，然后涂敷在已做前處理的基體表面，室溫固化16～72小時，得到含氮化硼-環(huán)氧樹脂的復合涂層。
對比實施例1：
本實施例為上述實施例1的對比實施例。
本實施例中，基體表面具有涂層，以質量百分含量計，該涂層組分及其含量為：
環(huán)氧樹脂膠E44：50％，
二乙烯三胺：50％。
該涂層制備步驟如下：
第一步：以總質量為100份數(shù)計，稱取環(huán)氧樹脂膠E44 50份，二乙烯三胺(固化劑)50份；
第二步：將第一步中稱量得到的固化劑加入到環(huán)氧樹脂膠E44中，攪拌均勻，然后涂敷在已做前處理的基體表面，室溫固化16～72小時，得到環(huán)氧樹脂涂層。
將上述實施例1-5以及對比實施例1中制得的涂層制成20mm×30mm×5mm的塊狀體，放置于粒度為100-200目的石英砂漿料中進行沖蝕磨損，水流壓力為0.2MPa，沖蝕時間為30分鐘，沖蝕角度為90°，沖蝕實驗結果分別用沖蝕率α＝Δm/m0×100％；相對沖蝕率β(對比不含BN顆粒的樣品沖蝕結果)來表示，結果如下表：
以上所述的實施例對本發(fā)明的技術方案進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。