CN100588536C - Cu-Al2O3梯度复合材料涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的Cu-Al2O3梯度复合材料涂层，由五层材料组成，从底层到外层按质量百分比，其组成分别为：第一层：NiAl 100%；第二层：NiAl30%～80%、Cu 20%～70%；第三层：Cu 75%～90%、Al2O310%～25%；第四层：Cu 55%～70%、Al2O330%～45%；第五层：Cu 35%～50%、Al2O350%～65%；以上各层的总量分别为100%。采用等离子喷涂法将上述粉末分层涂覆在基体上得到的梯度涂层材料，组织致密、孔隙率低，与基体结合强度高，而且有较好的抗热震性能和耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料涂层，具体涉及由Cu-Al2O3组成的梯度复合材料涂层，本发明还涉及该材料涂层的制备方法。
背景技术
金属-陶瓷涂层材料，能够把陶瓷与金属的优异性能结合起来，从而获得既有金属的强度和韧性，又有陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点的复合材料。但是，陶瓷材料有质脆的固有弱点，它与金属材料的热物理性能(如膨胀系数、热导率等)差别较大，容易造成热应力集中；此外，陶瓷涂层与基体材料的结合主要为机械嵌合，涂层呈层状结构，致密性较差，涂层中往往含有10％～15％的气孔，易出现微裂纹，致使涂层与基体的结合强度较低。
引入功能梯度思想，使涂层成分和结构要素沿其厚度方向逐渐改变，涂层性能也呈连续梯度变化，这是减缓涂层应力集中、提高涂层结合强度行之有效的方法之一。到目前为止，现有技术较多地应用Ni-Al/Al2O3、Fe-Al/Al2O3等功能梯度涂层。主要是利用Ni-Al、Fe-Al系金属间化合物具有长程有序的特殊结构，其性能介于金属和陶瓷之间，与Al2O3有较好的适配性能，是理想的过渡层材料。但是，采用价格远低于Ni-Al、Fe-Al的Cu与Al2O3组成的梯度涂层材料，在热喷涂的过程中，Cu与Al2O3之间存在较强的原子扩散，形成金属间化合物，可以大幅度的提高涂层的硬度和耐磨性，其涂层的耐磨性甚至高于陶瓷粉末制备的涂层，此方面的研究至今无人涉及。
发明内容
本发明的目的是提供一种由Cu-Al2O3组成的梯度复合材料涂层，与现有技术采用的材料相比，价格便宜、硬度和耐磨性提高，很好地解决了涂层应力集中、涂层与基体的结合强度低的问题。
本发明的另一目的是提供上述材料涂层的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，Cu-Al2O3梯度复合材料涂层，由五层材料组成，从底层到外层按质量百分比，其组成分别为：
第一层：NiAl 100％；
第二层：NiAl 30％～80％、Cu 20％～70％；
第三层：Cu 75％～90％、Al2O3 10％～25％；
第四层：Cu 55％～70％、Al2O3 30％～45％；
第五层：Cu 35％～50％、Al2O3 50％～65％；
以上各层的总量分别为100％。
本发明的另一技术方案是，上述梯度复合材料涂层的制备方法，该方法按以下步骤进行：
首先，按比例分别进行混粉
将30％～80％的NiAl粉与20％～70％的Cu粉放入球磨机内加混粉剂进行球磨，使粉末混合均匀，再将上述混合好的粉末放入烘干箱中进行干燥，温度110℃～150℃，保温2～4小时，再按上述方法分别制得75％～90％Cu粉与10％～25％Al2O3粉的混合粉末、55％～70％Cu粉与30％～45％Al2O3粉的混合粉末，35％～50％Cu粉与50％～65％Al2O3粉的混合粉末，上述Cu粉、Al2O3粉、NiAl粉的粒径分别为200目～400目、10μm～38μm、200目～400目；
接着进行喷涂预处理
对基体表面进行除油、除锈等和喷砂粗化处理；
最后喷涂涂层
采用等离子喷涂法，将上述混合好的粉末喷涂在基体上，喷涂顺序依次为：第一层NiAl粉，第二层为30％～80％NiAl与20％～70％Cu的混合粉，第三层为75％～90％Cu与10％～25％Al2O3的混合粉，第四层为55％～70％Cu与30％～45％Al2O3的混合粉，第五层为35％～50％Cu与50％～65％Al2O3的混合粉。
混粉剂为酒精。
酒精与粉末的质量比为1∶10。
采用等离子喷涂法的工艺参数为：氢气压力为0.30Mpa～0.40Mpa，氩气压力为0.70Mpa～0.90Mpa，电压50V～70V，电流500A～700A，喷涂距离为80mm～150mm，喷涂角度85°～95°，喷涂速度为10cm/s～20cm/s，预热温度100℃～200℃，涂层总厚度为0.8mm～1.6mm。
本发明与现有技术比较有以下几个优点：
(1)涂层微观组织均匀、致密，孔隙少；
(2)制备的梯度涂层与基体结合强度高、抗热震性好、具有较高的硬度和耐磨性；
(3)涂层制备工艺简单，可重复性好，成本低。
附图说明
图1为本发明涂层材料纵截面组织照片(×60)；
图2为本发明涂层材料与基体结合处的金相照片(×400)；
图3为本发明涂层材料表面SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的Cu-Al2O3梯度涂层复合材料，由五层材料组成，从底层到外层按质量百分比，其组成分别为：第一层：NiAl 100％；第二层：NiAl30％～80％、Cu 20％～70％；第三层：Cu 75％～90％、Al2O3 10％～25％；第四层：Cu 55％～70％、Al2O3 30％～45％；第五层：Cu 35％～50％、Al2O3 50％～65％；各层的总量分别为100％。
由于纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，塑性极好，熔点相对较低，熔融态时在氧化物陶瓷表面有较好的润湿性。因此，采用Cu与Al2O3组成Cu-Al2O3梯度涂层，利用等离子喷涂法涂覆，使涂层的成分由基体平缓地呈梯度过渡到表面，避免基体到涂层的组织、性能的突变，能够达到减小涂层热应力集中，减少微裂纹产生，提高涂层结合强度的效果。而且纯铜粉的价格远低于Ni-Al、Fe-Al等粉末；在热喷涂的过程中，Cu与Al2O3之间存在较强的原子扩散，形成金属间化合物，可以大幅度的提高涂层的硬度和耐磨性。使其涂层的耐磨性高于Al2O3粉末制备的涂层。
本发明提供了一种制备Cu-Al2O3梯度涂层的方法，
使用材料为：工业纯铜粉，粒径为200目～400目、工业Al2O3粉，粒径为10μm～38μm、工业NiAl粉，粒径为200目～400目。
该方法按以下步骤进行：
首先，按比例分别进行混粉
将Cu及Al2O3粉按预定的几种比例(如表1所示)混合，分别放入球磨机内加混粉剂进行球磨，使粉末混合均匀，混粉剂与粉末的质量比为1∶10，然后将混合好的粉末放入烘干箱中，温度控制为110℃～150℃，保温2～4小时进行干燥，去除水分并增加粉末的流动性，烘干温度不宜过高，以防Cu和NiAl粉末氧化，分别制得以下比例的混合粉末；
表1梯度涂层粉料配比(质量分数，％)
GC1 GC2 GC3 GC4 GC5 编号
100％NiAl 第一层
NiAl(30％～80％)+Cu(20％～70％) 第二层
Cu(75％～90％)+Al2O3(10％～25％) 第三层
Cu(55％～70％)+Al2O3(30％～45％) 第四层
Cu(35％～50％)+Al2O3(50％～ 第五层
65％
接着进行喷涂预处理
对基体进行除表面油、锈等杂质，表面喷砂粗化处理，喷砂角度(即砂粒喷射方向与基材表面的夹角)为60°～80°，避免90°方向喷砂，以防止砂粒嵌入工件表面，喷砂之后用丙酮清洗喷砂表面，基体表面喷砂后应尽快喷涂，在喷涂粉末以前，采用等离子喷枪进行预热除去基体表面的水分和湿气，并且提高喷涂粒子与基体接触时的界面温度，减少因基体热膨胀造成的涂层应力，避免涂层开裂，提高涂层与基体的结合强度；
最后喷涂涂层
将上述混合好的粉末分别装入微细送粉器，依次打开主电源、直流电源、水冷器、氩气及氢气等开关，预热完成后开启微细送粉器调节送粉气流量，喷涂时将试样按顺序依次排好固定在工作台上，喷涂顺序依次为：第一层NiAl粉，第二层为30％～80％NiAl与20％～70％Cu的混合粉，第三层为75％～90％Cu与10％～25％Al2O3的混合粉，第四层为55％～70％Cu与30％～45％Al2O3的混合粉，第五层为35％～50％Cu与50％～65％Al2O3的混合粉作为工作层，还可以喷涂第六层为15％～30％Cu与70％～85％Al2O3的混合粉作为工作层。控制工艺参数：氢气压力为0.30Mpa～0.40Mpa，氩气压力为0.70Mpa～0.90Mpa，电压50V～70V，电流400A～700A，喷涂距离为80mm～150mm，喷涂角度85°～95°，喷涂速度为10cm/s～20cm/s，预热温度100℃～200℃，涂层总厚度为0.8mm～1.6mm。
实施例1
材料选择为：工业电解纯铜粉，粒径为200～220目，含铜量＞99.5％；
市售NiAl粉，粒径为280～300目，其中质量百分比为Ni：80％、Al：20％；
市售Al2O3粉，粒径为30μm，纯度＞99.5％。
首先，按比例分别进行混粉
将50％的NiAl粉与50％的Cu粉放入球磨机内加酒精进行球磨，酒精与粉料质量比为1∶10，混粉2小时，使粉末混合均匀，再将上述混合好的粉末放入烘干箱中进行干燥，温度110℃保温4小时，除去水分并增加粉末的流动性。再按上述方法分别制得80％Cu粉与20％Al2O3粉的混合粉末、60％Cu粉与40％Al2O3粉的混合粉末、40％Cu粉与60％Al2O3粉的混合粉末；
接着进行喷涂预处理
基体采用Q235钢，试样尺寸为Φ110mm×150mm圆柱，用16目刚玉砂喷砂处理，处理完后再用丙酮清洗；
然后喷涂涂层
采用等离子喷涂法，将上述混合好的粉末喷涂在基体上，喷涂顺序依次为：第一层用NiAl粉打底，第二层为50％NiAl与50％Cu的混合粉，第三层为80％Cu与20％Al2O3的混合粉，第四层为60％Cu与40％Al2O3的混合粉，第五层为40％Cu与60％Al2O3的混合粉为工作层，共五层，厚度约为1.0mm，等离子喷涂的工艺参数控制为：氢气压力0.32MPa，氩气压力0.85MPa，电压55V，电流600A，喷涂距离100mm，喷涂角度90°，喷涂速度15cm/s，预热温度150℃。
实施例2
材料选择为：粒径为350目～400目的纯铜粉，粒径为200目～250目的NiAl粉，粒径为18μm～30μm的Al2O3粉。
首先，按比例分别进行混粉
将30％的NiAl粉与70％的Cu粉放入球磨机内加酒精进行球磨，酒精与粉料质量比为1∶10，混粉2小时，使粉末混合均匀，再将上述混合好的粉末放入烘干箱中进行干燥，温度130℃保温3小时，除去水分并增加粉末的流动性。再按上述方法分别制得90％Cu粉与10％Al2O3粉的混合粉末、70％Cu粉与30％Al2O3粉的混合粉末、50％Cu粉与50％Al2O3粉的混合粉末、30％Cu粉与70％Al2O3粉的混合粉末；
接着进行喷涂预处理
基体采用45#钢，试样尺寸为Φ120mm×500mm圆柱，喷涂前用16目刚玉砂喷砂处理；
然后喷涂涂层
采用等离子喷涂法，将上述混合好的粉末喷涂在基体上，喷涂顺序依次为：第一层用NiAl粉打底，第二层为30％NiAl与70％Cu的混合粉，第三层为90％Cu与10％Al2O3的混合粉，第四层为70％Cu与30％Al2O3的混合粉，第五层为50％Cu与50％Al2O3的混合粉，第六层为30％Cu与70％Al2O3的混合粉为工作层，共六层，厚度约为1.6mm，等离子喷涂的工艺参数控制为：氢气压力0.4MPa，氩气压力0.9MPa，电压70V，电流700A，喷涂距离150mm，喷涂角度90°，喷涂速度20cm/s，预热温度200℃。
实施例3
材料选择为：粒径为280目～350目的纯铜粉，300目～350目的NiAl粉，粒径为30μm～40μm的Al2O3粉。
首先，按比例分别进行混粉
将80％的NiAl粉与20％的Cu粉放入球磨机内加酒精进行球磨，酒精与粉料质量比为1∶10，混粉2小时，使粉末混合均匀，再将上述混合好的粉末放入烘干箱中进行干燥，温度150℃保温2小时，除去水分并增加粉末的流动性。再按上述方法分别制得75％Cu粉与25％Al2O3粉的混合粉末、55％Cu粉与45％Al2O3粉的混合粉末、35％Cu粉与65％Al2O3粉的混合粉末；
接着进行喷涂预处理
基体采用灰铸铁，试样尺寸为Φ100mm×120mm圆柱，喷涂前用16目棕刚玉砂喷砂处理，处理完后再用丙酮清洗；
然后喷涂涂层
采用等离子喷涂法，将上述混合好的粉末喷涂在基体上，喷涂顺序依次为：第一层用NiAl粉打底，第二层为80％NiAl与20％Cu的混合粉，第三层为75％Cu与25％Al2O3的混合粉，第四层为55％Cu与45％Al2O3的混合粉，第五层为35％Cu与65％Al2O3的混合粉为工作层，共五层，厚度约为0.8mm，等离子喷涂的工艺参数控制为：氢气压力0.3MPa，氩气压力0.7MPa，电压50V，电流500A，喷涂距离80mm，喷涂角度90°，喷涂速度10cm/s，预热温度100℃。
为了考察本发明的Cu-Al2O3梯度涂层与非梯度双层陶瓷涂层性能的不同，分别用实施例1得到的本发明涂层材料与基体用NiAl打底后直接喷涂Al2O3的涂层，对两种涂层的结合强度、硬度、抗热震性、耐磨性进行了测试和比较，而且观察了梯度涂层截面组织。
采用粘结拉伸法测试了两种涂层的结合强度，发现本发明梯度涂层与基体结合强度高，是双层陶瓷涂层的两倍；梯度涂层具有较高的硬度，两种涂层硬度分别为87.9(HR15N)和90.9(HR15N)；用循环加热法测定了两种涂层的抗热震性，基体是尺寸为5cm×5cm×3mm的Q235钢板，热循环试验条件如下：将带有涂层的试样放入800℃条件的炉子中保温20min，然后取出吹压缩空气冷却，如此反复循环直到出现裂纹、剥离现象，结果表明本发明梯度涂层的抗热震性能大约是双层陶瓷涂层的4倍左右；利用自制磨料磨损试验机检测本发明梯度涂层的耐磨性，其耐磨性约比基体提高了3倍；比纯Al2O3陶瓷热喷涂层提高40％，利用光学显微镜观察了本发明梯度涂层的截面组织和涂层与基体的结合面，如图1、图2所示，可以发现其成分沿厚度方向呈连续梯度变化，涂层与基体结合紧密；从图3，涂层材料的表面形貌SEM照片可以看出涂层组织致密、孔隙率低。
Claims (2)
1.一种Cu-Al2O3梯度复合材料涂层，其特征在于，由五层材料组成，从底层到外层按质量百分比，其组成分别为：
第一层：NiAl 100％；
第二层：NiAl 30％～80％、Cu 20％～70％；
第三层：Cu 75％～90％、Al2O3 10％～25％；
第四层：Cu 55％～70％、Al2O3 30％～45％；
第五层：Cu 35％～50％、Al2O3 50％～65％；
以上各层的总量分别为100％。
2.根据权利要求1所述梯度复合材料涂层的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
首先，按比例分别进行混粉
将30％～80％的NiAl粉与20％～70％的Cu粉放入球磨机内加混粉剂进行球磨，使粉末混合均匀，再将上述混合好的粉末放入烘干箱中进行干燥，温度110℃～150℃，保温2～4小时，再按上述方法分别制得75％～90％Cu粉与10％～25％Al2O3粉的混合粉末、55％～70％Cu粉与30％～45％Al2O3粉的混合粉末，35％～50％Cu粉与50％～65％Al2O3粉的混合粉末，上述Cu粉、Al2O3粉、NiAl粉的粒径分别为200目～400目、10μm～38μm、200目～400目；
接着进行喷涂预处理
对基体表面进行除油、除锈和喷砂粗化处理；
最后喷涂涂层
采用等离子喷涂法，将上述混合好的粉末喷涂在基体上，喷涂顺序依次为：第一层NiAl粉，第二层为30％～80％NiAl与20％～70％Cu的混合粉，第三层为75％～90％Cu与10％～25％Al2O3的混合粉，第四层为55％～70％Cu与30％～45％Al2O3的混合粉，第五层为35％～50％Cu与50％～65％Al2O3的混合粉，
所述混粉剂为酒精，酒精与粉末的质量比为1∶10，
所述采用等离子喷涂法的工艺参数为：氢气压力为0.30Mpa～0.40Mpa，氩气压力为0.70Mpa～0.90Mpa，电压50V～70V，电流500A～700A，喷涂距离为80mm～150mm，喷涂角度85°～95°，喷涂速度为10cm/s～20cm/s，预热温度100℃～200℃，涂层总厚度为0.8mm～1.6mm。
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| Al2O3/Cu梯度复合材料的制备及磨损性能研究. 王瑾.重庆工学院学报，第20卷第5期. 2006 |
| Al2O3/Cu梯度复合材料的制备及磨损性能研究. 王瑾.重庆工学院学报，第20卷第5期. 2006 * |
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