CN102181856A - 采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种金属表面处理技术领域的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，通过将第一喷涂粉末采用不锈钢缩放喷枪对基体的表面进行第一次喷涂，升高不锈钢缩放喷枪后用第二喷涂粉末进行第二次喷涂，最后将第三喷涂粉末采用高耐热塑料缩放喷枪进行第三次喷涂，实现在基体表面制备复合梯度材料。本发明制备的梯度材料厚度可以在很大范围内调节，同时材料孔隙率低，结合强度高，对环境没有污染。

Description

采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属表面处理技术领域的方法，具体是一种采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法。

背景技术

随着科学技术的发展和工业化进程的不断深入，对材料的性能提出了更加苛刻的要求。梯度材料是为了满足材料在极限环境下使用而开发出来的一种新型的复合材料，是一种成分、组织、力学性能和物理机械性能都呈现连续变化的高性能材料。虽然梯度材料最初的开发目的是为了研制航空航天领域专用的超高温耐热材料和热障材料，但是由于它具有一些特殊的性能，因此在机械、化工、核能、光电、航空航天和生物医学等领域有着较广阔的应用前景。

传统的梯度材料制备方法包括气相沉积法、等离子喷涂法、激光熔覆法、自蔓延高温燃烧法、离心铸造法、粉末冶金法等。一般来说，气相沉积法适用于制造薄膜材料，膜层的厚度通常小于1mm，同时该方法对设备整体要求较高，沉积速率低，不适合制备大尺寸的涂层。等离子喷涂法中，粒子在沉积到基体前处于熔化或者半熔化状态，涂层在制备过程中同时存在冶金结合和机械咬合，粒子与基体或者已经沉积的涂层之间发生扩散，导致涂层与基体的结合强度高于粒子之间的结合强度；另外熔化状态下的粒子在沉积过程中容易发生氧化、相变或晶粒长大，从而恶化梯度材料的整体性能。激光熔覆法需要采用大功率激光热源在较短的时间内熔化粉末材料，产生冶金结合来提高材料的结合力，然而材料的熔化不可避免的引入一些热缺陷，同时密度较大的材料容易沉积到熔池底部，引起熔池内部熔液的流动，加速了材料成分的均匀化。自蔓延高温燃烧法比较适合制备体积较大的梯度材料，但是燃烧后材料内部孔隙率较高，降低了材料的整体机械性能。离心铸造法比较适合制备高密度、大尺寸的梯度材料，但是不适合制备熔点较高的合金材料和陶瓷材料。相比之下，与本发明最为接近的是粉末冶金法，该方法将预先准备好的粉末按照设定好的成分逐层铺好，然后在一定压力下高温烧结，粉末中的一些原料之间相互扩散、反应从而使层与层之间的边界模糊或者消失而得到的梯度材料。但需要注意的是用粉末冶金法制备复合梯度材料一方面很难控制各层的厚度；另外，烧结后的材料不可避免地存在一定的孔隙。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101020999A记载了“一种平面往复运动喷射沉积多层复合材料的制备方法和设备”，该发明采用在惰性气体加压保护下，将金属或者合金在坩埚内熔炼，往复运动喷射沉积大块层状梯度材料。采用该技术可以获得大块的非晶、纳米晶金属材料，并且通过对喷射坩埚的控制，可以对复合层的排列方式进行调整，结合控制沉积层的冷却速度，可以控制金属层的晶粒度和组织。但是该技术喷射沉积的是金属或者合金熔液，金属在加热、熔化、沉积、冷却过程中不可避免地发生氧化、相变、晶粒长大等热缺陷；同时熔融的金属液直接沉积到基体上也可能对基体造成热损伤，尤其是一些对温度比较敏感的基体材料，如基体和铝基体。

中国专利文献号CN1587439A公开了“电子束熔炼难熔金属粉末制备耐高温功能梯度材料的方法”，该发明将难熔金属粉末按照设定比例配比后，逐层涂覆于金属基体端面上，在真空条件下使用电子束对基体端面上的粉末材料加热，熔化后随炉冷却至室温，从而得到耐高温功能梯度材料。使用该方法制备复合梯度材料的过程中，通过对电子束的扫描参数进行调整，可以很灵活地制备多种金属，非金属，以及陶瓷粉末梯度材料；然而该方法在真空下进行沉积，不适合制备大面积的涂层，另外由高温产生的一些缺陷不可避免。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，利用该技术中粒子在沉积过程中温度始终低于其熔点，不会引入由高温产生的一些缺陷，并且喷涂后涂层能够保留喷涂前粒子的微观组织和性能特征，提出使用冷喷涂技术逐层喷涂沉积混合粉末，从而制备从基体到涂层表面成分逐渐变化的梯度材料。使用该方法制备的梯度材料厚度可以在很大范围内调节，同时材料孔隙率低，结合强度高，对环境没有污染。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将第一喷涂粉末采用不锈钢缩放喷枪对基体的表面进行第一次喷涂，升高不锈钢缩放喷枪后用第二喷涂粉末进行第二次喷涂，最后将第三喷涂粉末采用高耐热塑料缩放喷枪进行第三次喷涂，实现在基体表面制备复合梯度材料；

所述的第一喷涂粉末是指：25at.％的纯度大于99wt.％的铝粉末和75at.％的纯度大于99.5wt.％镁铝金属间化合物Mg₁₇Al₁₂粉末混合制得；

所述的第二喷涂粉末是指：50at.％的纯度大于99wt％的铝粉末和50at.％的纯度大于99.5wt.％镁铝金属间化合物Mg₁₇Al₁₂粉末混合制得；

所述的第三喷涂粉末是指：纯度大于99.5wt.％的铝粉末。

所述的混合是指：机械混合10-30分钟。

所述的基体是指：铸态AZ91D镁合金基体、Al6061铝合金基体或SUS303不锈钢基体，该基体的表面经20目的铁硅酸盐粒子喷砂处理并用丙酮清洗及干燥。

所述的不锈钢缩放喷枪的出口直径为7.3mm，送粉方式为喷枪喉部后垂直送粉，送粉速率为15g/min，喷枪出口到基体表面的距离为10mm且喷枪相对于基体的移动速度为3mm/s；

所述的第一次喷涂是指：采用氦气作为工作气体和粉末载气，工作气体的压力和温度分别为0.98MPa和300℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温，单道次沉积涂层。

所述的升高是指：调整喷枪出口到基体表面的距离为10.4mm

所述的第二次喷涂中喷枪相对于基体的移动速度为5mm/s，单道次沉积涂层。

所述的高耐热塑料缩放喷枪的出口直径为8.4mm，在喷枪喉部前水平送粉，送粉速率为10g/min，喷枪出口到基体表面的距离调整为10.7mm，基体相对于喷枪的移动速度为2mm/s。

所述的第三次喷涂是指：采用氦气作为工作气体和粉末载气，工作气体的压力和温度分别为0.98MPa和270℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温，单道次沉积。

本发明采用“逐层喷涂法”制备复合梯度材料，与现有技术相比主要有以下优点：

(1)采用冷喷涂技术制备得到的涂层承受压应力，适合制备厚度较大的涂层。结合调整喷枪几何结构和喷涂工艺参数，每层的厚度和梯度材料总体的厚度可以在很大范围内调节，即可以制备梯度涂层材料，又可以制备梯度块体材料。

(2)通过优化喷涂过程工艺参数和调整原材料粉末中的各组分的含量，制备的梯度材料的孔隙率可以控制在很低的范围内。

(3)通过该方法制备的梯度材料无需后续的加热等处理，简化了生产工序，同时该方法生产效率和自动化水平高，易于控制和管理。

(4)该工艺制备的梯度材料成分可以控制，层与层之间的过渡平缓，具有很强的适应性。

(5)该工艺原理简单，操作安全可靠，没有沉积的粉末粒子可以回收，对环境没有污染，具有很好的应用前景和社会效益。

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

本实施例中选用的金属粉末为：

粉末A为纯Al粉末，纯度大于99wt.％，粒子直径小于45μm，不规则形貌；

粉末B为纯Al粉末，纯度大于99.5wt.％，粒子平均直径为58.48μm，粒子直径分布为7-174μm，不规则形貌；

粉末C为Mg₁₇Al₁₂粉末，纯度大于99.5wt.％，粒子平均直径为58.95μm，粒子直径分布为29-117μm，球形形貌。

上述粉末组成的第一喷涂粉末为25 at.％A+75 at.％C，第二喷涂粉末为50 at.％A+50at.％C，第三喷涂粉末为100 at.％B，其中：粉末A和粉末B机械混合10-30min，确保分布均匀。本实施例中选用的基体为铸态AZ91D镁合金，在喷涂前用丙酮对其表面进行清洗，并进行干燥。

随后对上述混合第一喷涂粉末进行喷涂，喷枪为不锈钢缩放喷枪，其出口直径为7.3mm，在喷枪喉部后垂直送粉。冷喷涂中工作气体和粉末载气均为He，工作气体的压力和温度分别为0.98MPa和300℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温。送粉速率为15g/min，喷枪出口到基体表面的距离为10mm，基体相对于喷枪的移动速度为3mm/s，单道次沉积。

对第二喷涂粉末进行喷涂所用的喷枪和喷涂参数和喷涂第一喷涂粉末的相同，只是喷枪出口到基体表面的距离应调整为10.4mm，基体相对于喷枪的移动速度为5mm/s，单道次沉积。

对第三喷涂粉末进行喷涂所采用的喷枪为高耐热塑料缩放喷枪，其出口直径为8.4mm，在喷枪喉部前水平送粉。工作气体的压力和温度分别为0.98MPa和270℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温。送粉速率为10g/min，喷枪出口到基体表面的距离调整为10.7mm，基体相对于喷枪的移动速度为2mm/s，单道次沉积。

通过该方法制备的Mg-Al梯度材料厚度约为1.2mm，孔隙率低于1％，界面结合强度大于30MPa，金属间化合物粉末分布均匀，能够对基体形成很好的保护，具有十分现实的社会和经济效益。

实施例2

本实施例中选用的金属粉末为两种商业纯铝粉末，另外一种粉末为陶瓷粉末粉末SiC。其中金属铝粉末(A和B)和实施例1中相同；粉末C为SiC粉末，纯度大于99.7wt.％，粒子平均直径为29.4μm，粒子直径分布为25-32μm，不规则形貌。其中第一喷涂粉末为60at.％A+40at.％C，第二喷涂粉末为80at.％A+20at.％C，第三喷涂粉末为90at.％A+10at.％C，粉末4为100at.％B。第一喷涂粉末，第二喷涂粉末和第三喷涂粉末在喷涂之前需机械混合10-30min。基体为T6态的Al6061铝合金，在喷涂前用丙酮对其表面进行清洗，并进行干燥。

随后对上述混合第一喷涂粉末，第二喷涂粉末和第三喷涂粉末进行冷喷涂，这三种混合粉末沉积过程中用到的喷枪均为不锈钢缩放喷枪，其出口直径为7.3mm，在喷枪喉部后垂直送粉。冷喷涂中工作气体和粉末载气均为He，工作气体的压力和温度分别为0.98MPa和310℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温。送粉速率为15g/min，喷枪出口到基体表面的距离分别为10mm，10.2mm和10.5mm，基体相对于喷枪的移动速度都为2mm/s，单道次沉积。

对粉末4进行喷涂所采用的喷枪和喷涂参数和实施例1中冷喷涂第三喷涂粉末的参数相同，只是需要调整喷枪出口到基体表面的距离为10.8mm。

通过该方法制备的Al-SiC梯度材料厚度约为1.3mm，陶瓷SiC粒子分布均匀，孔隙率小于2％，涂层的结合强度为30.7±3.2MPa。

实施例3

采用和实施例1相同的粉末和喷涂参数，选用的基体材料为SUS303不锈钢基体，在喷涂前采用20目的铁硅酸盐粒子进行喷砂处理后，用丙酮对其表面进行清洗，并进行干燥。按照实施例1的沉积步骤，便能在不锈钢基体上得到Al-Mg梯度材料。该实施例得到的梯度材料厚度约为1.14mm，孔隙率小于1.5％，涂层的结合强度为18.9±1.7MPa，且涂层本身的粘接强度大于涂层和基体在界面处的粘接强度。

Claims (10)

1.一种采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征在于，通过将第一喷涂粉末采用不锈钢缩放喷枪对基体的表面进行第一次喷涂，升高不锈钢缩放喷枪后用第二喷涂粉末进行第二次喷涂，最后将第三喷涂粉末采用高耐热塑料缩放喷枪进行第三次喷涂，实现在基体表面制备复合梯度材料；

所述的第一喷涂粉末是指：25at.％的纯度大于99wt.％的铝粉末和75at.％的纯度大于99.5wt.％镁铝金属间化合物Mg₁₇Al₁₂粉末混合制得；

所述的第二喷涂粉末是指：50at.％的纯度大于99wt％的铝粉末和50at.％的纯度大于99.5wt.％镁铝金属间化合物Mg₁₇Al₁₂粉末混合制得；

所述的第三喷涂粉末是指：纯度大于99.5wt.％的铝粉末。

2.根据权利要求1所述的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征是，所述的混合是指：机械混合10-30分钟。

3.根据权利要求1所述的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征是，所述的基体是指：铸态AZ91D镁合金基体、Al6061铝合金基体或SUS303不锈钢基体，该基体的表面经20目的铁硅酸盐粒子喷砂处理并用丙酮清洗及干燥。

4.根据权利要求1所述的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征是，所述的不锈钢缩放喷枪的出口直径为7.3mm，送粉方式为喷枪喉部后垂直送粉，送粉速率为15g/min，喷枪出口到基体表面的距离为10mm且喷枪相对于基体的移动速度为3mm/s。

5.根据权利要求1所述的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征是，所述的第一次喷涂是指：采用氦气作为工作气体和粉末载气，工作气体的压力和温度分别为0.98MPa和300℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温，单道次沉积涂层。

6.根据权利要求1所述的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征是，所述的升高是指：调整喷枪出口到基体表面的距离为10.4mm。

7.根据权利要求1所述的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征是，所述的第二次喷涂中喷枪相对于基体的移动速度为5mm/s，单道次沉积涂层。

8.根据权利要求1所述的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征是，所述的高耐热塑料缩放喷枪的出口直径为8.4mm，在喷枪喉部前水平送粉，送粉速率为10g/min，喷枪出口到基体表面的距离调整为10.7mm，基体相对于喷枪的移动速度为2mm/s。

9.根据权利要求1所述的采用冷喷涂技术制备复合梯度材料的方法，其特征是，所述的第三次喷涂是指：采用氦气作为工作气体和粉末载气，工作气体的压力和温度分别为0.98MPa和270℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温，单道次沉积。

10.一种复合梯度材料，其特征在于，根据上述任一权利要求所述方法制备得到。