CN102154639B - 基于铝粒子的冷喷涂沉积制备涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属材料涂层技术领域的基于铝粒子的冷喷涂沉积制备涂层的方法，采用氦气作为工作气体和载气，用喷枪将高纯铝粉末喷涂至经铁硅酸盐粒子喷砂处理后的基体上，实现涂层制备。本发明解决了现有技术中，尤其是热喷涂铝涂层制备过程中存在的各种缺陷，克服了小尺寸粒子在保存和冷喷涂过程中存在的风险，有效地降低了铝粉末粒子沉积的成本。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种金属材料涂层技术领域的方法，具体是一种基于铝粒子的冷喷涂沉积制备涂层的方法。
背景技术
铝是工业上应用的密度较小的金属结构材料，和其它的工程材料相比，铝具有较好的耐蚀性能，而且其硬度、强度、可塑性等机械性能都可以在很大范围内调整，加上铝制备工艺简便，回收率高，因此在在汽车、电子、电器、航空航天、国防军工、交通运输等领域取得了广泛的应用。其中，修复铝合金部件，制备铝及铝合金涂层以保护基体金属材料成为研究的热点。
由于铝的熔点很低，只有660℃，而且在室温下其表面容易氧化，生成致密的氧化铝薄膜，尽管该膜层能够阻止或者减缓铝的进一步腐蚀，但是该特性使得铝及铝合金的焊接和修复工作变得比较困难。经对现有文献检索发现，可以采用热喷涂的方法沉积铝涂层或者用来修复铝合金部件，但是由于铝的化学性质比较活跃，热喷涂过程中喷涂的材料一般处于熔化或者半熔化状态，不仅导致铝的强氧化反应，对设备和工作人员造成潜在威胁，而且和高温相关的一些缺陷都无法避免，如材料氧化、相变、晶粒长大、热应力等。同时，熔化的材料直接沉积在基体上，可能对基体造成损伤，尤其是熔点较低而且对温度比较敏感的材料，如镁合金基体。
进一步检索发现，中国专利文献号CN1651605A记载了一种“镁合金表面防护层的喷涂的工艺”，采用超音速雾化法制备铝锌粉末，随后对粉末材料进行筛分，取粒子直径分布为25-75μm的粒子，在1.5-2.5MPa下冷喷涂沉积涂层。冷喷涂作为一种新型的涂层制备技术最大的特点为整个沉积过程中，粒子的温度始终低于其熔点，故沉积后的涂层能够保留粒子在沉积前的组织和性能。但是采用直径较小的粒子不仅增加了粒子保存的难度，而且也增加了喷涂过程中爆炸的风险。另外，采用高压气体沉积涂层，其经济性也大打折扣。同时，在铝及铝合金的冷喷涂涂层中，文献表明在耐腐蚀性能方面，高纯铝优于商业纯铝，商业纯铝优于铝合金。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于铝粒子的冷喷涂沉积制备涂层的方法，使用大尺寸的铝粒子为原材料粉末，以低压低温冷喷涂技术进行沉积，用以制备表面保护涂层或者修复铝合金部件，本发明解决了现有技术中，尤其是热喷涂铝涂层制备过程中存在的各种缺陷，克服了小尺寸粒子在保存和冷喷涂过程中存在的风险，有效地降低了铝粉末粒子沉积的成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用氦气作为工作气体和载气，用喷枪将高纯铝粉末喷涂至经铁硅酸盐粒子喷砂处理后的基体上，实现涂层制备。
所述的高纯铝粉末由超音速雾化法制备得到，其质量分数大于99％，粒子平均直径为58μm，直径分布为7-174μm，粒子形貌不规则。
所述的工作气体的温度为270-310℃，压力为0.98MPa，载气温度为室温，压力为1.04MPa。
所述的高纯铝粉末保存于干燥无静电环境中。
所述的喷涂是指：喷枪的出口到基体表面的距离为10-15mm，喷枪喷射方向与基体之间的夹角保持在90°，且相对移动速度为1-3mm/s。
所述的喷砂处理是指：使用20目的铁硅酸盐粒子对基体表面进行喷砂处理，喷枪喷射方向与基体之间夹角保持在45°，然后用丙酮清洗基体表面，随即干燥。
所述的沉积是指：使用扩张段长度为66.4mm，扩张率为10.4的高耐热塑料缩放喷枪的条件下沉积喷涂得到的纯铝涂层。
同现有工艺相比较，本发明的优点为：
(1)采用冷喷涂方法沉积纯铝涂层，铝粒子沉积效率高，单道次铝涂层厚度可达900μm；涂层保留了喷涂前的铝粒子的微观形貌和特性，具有优异的耐腐蚀性能。
(2)由于使用的原材料纯铝粉末，其粒子直径和尺寸分布都很大，在喷涂前不需要筛分，不仅减少了涂层制备步骤，增加了原材料粉末的利用效率，而且降低了粉末粒子在日常维护和喷涂过程中爆炸的风险。
(3)喷涂工艺中工作气体的温度低，而且在喷枪扩张段其温度迅速下降，因此对基体几乎没有热影响。同时工作气体的工作压力也很低，在相同喷涂条件下消耗的气体量有所减少，因此降低了粒子沉积成本，提高了该技术的市场竞争力。
(4)在铝粒子的沉积过程中，基体无需预热，由此简化了粒子沉积步骤并节约了能量。
(5)使用特定的高耐热塑料喷枪对铝粒子进行加速，有效地避免了铝粒子在喷枪喉部的粘接，降低了喷枪阻塞的风险，提高了铝粒子沉积过程的安全性和稳定性。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
取尺寸合理的Al6061铝合金基体进行喷砂处理后，用丙酮对其表面进行清洗，之后进行干燥。该处理后需确保铝合金表面平整、干净且粗糙度均匀。然后将该块体固定在由电脑控制的且可在平面上移动的工作台上。调整喷枪高度，使喷枪出口到基体表面的高度为15mm。取适量的干燥无污染的纯铝粉末放入粉末送粉器中，调整阀门和加热设备功率，当氦气在喷枪入口处的压力为0.98MPa，温度为300℃且上下波动较小时，打开粉末送粉器开关，调整其工作压力为1.04MPa，进行粒子沉积。在此过程中，基体移动速度为3mm/s，且双道次沉积。粉末沉积完毕后首先关闭粉末送粉器以停止粉末供应，之后关闭加热设备和气体供给设备，并取出涂层部件。该实施例得到的铝涂层厚度为620±32μm；组织致密，孔隙率为0.33±0.13％；铝粒子在沉积过程中没有发生氧化，对基体基本上没有热损伤，并且尺寸大于50μm的粒子在涂层中的含量约为40％，和喷涂前铝粒子尺寸分布较为接近；涂层和基体结合较好，在涂层/基体界面处无宏观缺陷。
实施例2
将尺寸合理的AZ91镁合金基体，喷砂后用丙酮进行清洗，之后干燥。然后将该基体固定在工作台上。调整喷枪高度，使喷枪出口到镁合金基体表面的高度为10mm。取适量铝粉末放入粉末送粉器中，当氦气在喷枪入口处的压力为0.98MPa，温度为270℃且上下波动较小时，打开粉末送粉器开关，调整其工作压力为1.04MPa，进行粒子沉积。在此过程中，基体移动速度为1mm/s，且单道次沉积。该实施例得到的铝涂层厚度为934±51μm；孔隙率为0.41±0.14％；得到的纯铝涂层的耐腐蚀性能和Al6061基体相近，能够对镁合金基体提供较好的保护。
实施例3
将尺寸合理的SUS303不锈钢基体，喷砂后用丙酮进行清洗，之后干燥。然后将该基体固定在工作台上。调整喷枪高度，使喷枪出口到不锈钢基体表面的高度为12mm。取适量的铝粉末放入到粉末送粉器中，当氦气在喷枪入口处的压力为0.98MPa，温度为280℃且上下波动较小时，打开粉末送粉器开关，调整其工作压力为1.04MPa，进行粒子沉积。在此过程中，基体移动速度为2mm/s，且三道次沉积。该实施例得到的铝涂层厚度为1226±73μm；孔隙率为0.53±0.19％.
与传统的高压冷喷涂小尺寸铝粒子相比，采用本发明工艺不仅能够获得质量优异的纯铝涂层，而且降低了喷涂过程中粒子爆炸的风险，提高了整个系统的安全性和稳定性。同时采用较低的气体压力和加热温度进行粒子沉积，有效地提高了该技术的经济性和实用性，并且解决了低熔点铝粒子容易阻塞喷枪的问题，具有较高的使用价值。
Claims (4)
1.一种基于铝粒子的冷喷涂沉积制备涂层的方法，其特征在于，采用氦气作为工作气体和载气，用喷枪将高纯铝粉末喷涂至经铁硅酸盐粒子喷砂处理后的基体上，实现涂层制备；
所述的高纯铝粉末由超音速雾化法制备得到，其质量分数大于99%，粒子平均直径为58μm，直径分布为7-174μm，粒子形貌不规则；
所述的工作气体的温度为270-310℃，压力为0.98MPa；载气温度为室温，压力为1.04MPa；
所述的喷涂是指：喷枪的出口到基体表面的距离为10-15mm，喷枪喷射方向与基体之间夹角保持在90°且相对移动速度为1-3mm/s；
所述的沉积是指：使用扩张段长度为66.4mm，扩张率为10.4的高耐热塑料缩放喷枪的条件下沉积喷涂得到的纯铝涂层。
2.根据权利要求1所述的基于铝粒子的冷喷涂沉积制备涂层的方法，其特征是，所述的高纯铝粉末保存于干燥无静电环境中。
3.根据权利要求1所述的基于铝粒子的冷喷涂沉积制备涂层的方法，其特征是，所述的喷砂处理是指：使用20目的铁硅酸盐粒子对基体表面进行喷砂处理，喷枪喷射方向与基体之间夹角保持在45°，然后用丙酮清洗基体表面，随即干燥。
4.一种基于铝粒子的冷喷涂沉积涂层，其特征在于，根据上述任一权利要求所述方法制备得到。
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