CN102817029B - 一种镁合金表面铝基合金厚涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种镁合金表面铝基合金厚涂层的制备方法属于涂层喷涂领域。制备镁合金基体试样；使用筛粉器得到铝基合金粉末粒径为45μm~70μm；涂层制备工艺参数为：喷涂距离15~25cm，送粉器的送粉速度5~10转/s，固定试样的转台的频率12.1~36.3Hz；采用超音速微粒沉积设备喷涂过程：试样安装在转台上并随着转台圆周转动；喷嘴轴线平行转台的中心线，喷嘴以1~5mm/s速度垂直于试样作上下周期运动；每次喷涂时间为13-25s，喷涂2-3遍。本发明厚涂层可达到3mm，提高了镁合金的防腐蚀性能；厚涂层继承了超音速微粒沉积所得普通摩擦磨损优良的性能，而且增大了涂层划伤划透的难度。

Description

一种镁合金表面铝基合金厚涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种在镁合金表面利用超音速微粒沉积技术喷涂一种铝基合金粉末所得的厚涂层及其制备方法。利用先进的超音速微粒沉积设备和合适的工艺参数制备具有耐磨减磨、防腐蚀等优异性能的厚涂层。

背景技术

超音速微粒沉积技术以高压气体为动力，可以实现低温状态下微粒沉积。其喷涂过程温度低，制备的涂层热应力小、氧化物含量低、硬度高、涂层微观结构几乎不发生改变。超音速微粒沉积过程颗粒动能大，制备的涂层致密，孔隙率低，使涂层具备较优异的性能。超音速微粒沉积技术适合制备纳米涂层、陶瓷类涂层、金属与陶瓷复合涂层和厚涂层。超音速微粒沉积技术与热喷涂相比具有以下优点：低温喷涂可以避免或减少喷涂粒子在喷涂过程中发生相变、化学反应等现象；低温状态下制备涂层热应力小，可制备熔点低、易氧化的轻质合金（铝、镁、钛等合金）；粒子沉积率高，粉末可回收利用；形成的涂层承受压应力，有利于制备较厚的涂层，而热喷涂涂层中形成有害的残余拉应力。超音速微粒沉积技术不同于冷喷涂技术主要区别在于：涂层的结合机理，超音速微粒沉积技术的结合机理主要是在纳米/微米尺度上的机械结合；而冷喷涂则是在微米/毫米尺度上的机械结合以及冶金结合；超音速微粒沉积技术比冷喷涂技术喷涂涂层的结合强度更高，沉积效率更高；超音速微粒沉积技术适用于喷涂的粒子的直径范围是冷喷涂粒子直径范围的1~2倍。

对于需要在复杂环境中工作的涂层，涂层厚度对于材料性能具有革命性的影响。目前的表面工程技术中，只有很少的技术能够实现厚涂层的表面工程技术。对于某些表面处理方法如等离子辅助气体沉积法（PACVD）、化学气相沉积法（CVD）和离子注入等所沉积的涂层厚度仅为10~15μm，从而制约了一些功能材料的应用；而对于热喷涂，由于喷涂过程中材料的凝固收缩，涂层中形成残余拉应力而不能制备厚涂层；对于采用超音速等离子喷涂技术制备的厚涂层结合强度不高，不能喷涂热敏感材料，易造成材料的高温氧化。

镁合金具有优异的性能，如密度小（密度仅为1.738 g/cm³）、比强度高、良好的导电能力和电磁屏蔽性能，优良的减振和阻尼性能，易加工不易老化等，使镁合金在各行各业应用广泛。但同时镁合金的化学性质十分活泼，易于与氧气、氮气、水发生反应；镁的标准电极电位为-2.36eV，易于发生点偶腐蚀；镁合金的硬度较低，其耐磨性较差。最为重要的是，镁合金高温稳定性差，高温易氧化，不适合用热喷涂的方法喷涂涂层以改善其劣势性能；而且镁合金在常温下的热塑性差，使用冷喷涂温度不足以达到其热塑性变形能力，因此沉积效率低，结合强度低，因此不适于在镁合金基体上制备厚涂层；使用超音速微粒沉积技术，可使镁合金加热到热塑性，同时在基体和喷涂粒子之间形成协调变形，形成沉积效率高的机械嵌合作用，在不同的喷涂微粒之间结合紧密，孔隙率低的厚涂层。

发明内容

针对在镁合金表面利用超音速微粒沉积技术喷涂铝基合金所得涂层相关性能的测试得到的涂层防腐蚀性能差的问题，本发明提供了一种在镁合金表面利用超音速微粒沉积技术制备铝基合金厚涂层及其方法，其特征是借助超音速微粒沉积技术可直接、就地在镁合金上生成厚的铝基合金涂层，其厚度可达到3mm，能降低或者排除常见腐蚀或电化学腐蚀，并具有孔隙率低，应力小的优越性能。其厚涂层的制备方法对于镁合金基体表面要求不高，并且对镁合金基体的力学或热学性能无需顾及。

本发明的实现采用超音速微粒沉积技术，步骤如下：

1.制备镁合金基体试样；使用筛粉器得到铝基合金粉末粒径为45μm~70μm；涂层制备工艺参数采用正交试验预先设计优化：喷涂距离15~25cm，送粉器的送粉速度5~10转/s，固定试样的转台的频率12.1~36.3Hz。

2.采用超音速微粒沉积设备喷涂过程：试样安装在转台上并随着转台圆周转动；喷嘴轴线平行转台的中心线，喷嘴以1~5mm/s速度垂直于试样作上下周期运动。喷嘴安装在机器人上，通过控制机器人实现喷嘴上下运动的周期时间和运动的速度，控制送粉器的送粉速度，每次喷涂时间为13-25s，喷涂2-3遍。进行喷涂从而得到的厚涂层为本发明的产品以及厚涂层的制备方法。

本发明有益的效果：合理控制相关实验参数以及工艺方法，采用超音速微粒沉积技术可以在镁合金基体上制备出铝基合金厚涂层，所得厚涂层可达到3mm，是冷喷涂涂层厚度的4~10倍，比热喷涂技术制备涂层厚度大2~3个数量级；厚涂层可以有效减少或者避免涂层中可能存在的通孔，提高了镁合金的防腐蚀性能；厚涂层继承了超音速微粒沉积所得普通摩擦磨损优良的性能，而且增大了涂层划伤划透的难度；超音速微粒沉积厚涂层的制备方法可以修复结构型、体积型腐蚀磨损损伤。

附图说明

附图1为实施例子的超音速微粒沉积厚涂层图。

附图2为实施例子的涂层表面SEM图。

附图3为实施例子的涂层截面SEM图。

附图3为实施例子的摩擦系数随时间变化的曲线。

附图4为实施例子盐雾腐蚀48h基体和厚涂层的表面SEM图。

附图5为实施例子盐雾腐蚀192h基体、薄涂层和厚涂层的宏观表面形貌图。

图6所示为盐雾腐蚀48h之后厚涂层的SEM图像（100×）。

图7（a）所示为盐雾腐蚀192h之后的镁合金基体的宏观表面形貌图；

图7（b）为盐雾腐蚀192h之后的超音速微粒沉积薄涂层的宏观表面形貌图；

图7（c）所示为盐雾腐蚀192h之后的超音速微粒沉积厚涂层的宏观表面形貌图。

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例1：

采用国防再制造重点实验室中AK-07AC-HAVF超音速微粒沉积设备，在经过喷砂粗化处理的镁合金基体表面喷涂铝基合金粉末，当喷涂距离15cm，送粉器的送粉速度5转/s，固定试样的转台的频率12.1Hz时，此时机器人控制喷嘴的运动速度为2mm/s，喷涂时间为13s，喷涂3遍，从而得到的厚涂层（厚度3mm）如图1所示。涂层表面SEM图如图2所示，可观察较大颗粒嵌合在涂层上，观察放大后的形貌可发现颗粒发生了碎裂，铝硅合金材料发生绝热剪切失稳并在压力下产生塑性流，可证明在该工艺下涂层的结合方式以机械嵌合为主。涂层截面SEM图如图3所示，通过SEM分析可知，其中铝合金涂层与镁合金基体结合良好，涂层主要成分为Al-Si合金，涂层致密，孔隙率低，所测得的结合强度为40MPa，是普通冷喷涂结合强度（<20MPa）的2倍以上。在此工艺参数下，超音速微粒沉积厚涂层摩擦磨损试验得到的摩擦系数约为0.66，涂层的耐摩擦磨损性能有很大的提高。其盐雾腐蚀试验结果和实施例3中结果相似。

实施例2

采用国防再制造重点实验室中AK-07AC-HAVF超音速微粒沉积设备，在经过喷砂粗化处理的镁合金基体表面喷涂铝基合金粉末，当喷涂距离20cm，送粉器的送粉速度10转/s，固定试样的转台的频率24.2Hz时，此时机器人控制喷嘴的运动速度为1.5mm/s，喷涂时间为17s，喷涂3遍，所得涂层经过拉伸试验所得涂层的结合强度为36.4MPa。分别对镁合金基体、喷涂薄涂层（厚度0.9mm）、喷涂厚涂层（厚度2.8mm）进行摩擦学性能测试。采用再制造国防重点实验室中MFT-R4000往复摩擦磨损试验机进行，实验所用摩擦副上试样为Φ6mm的GCr15圆球，硬度为770HV，在载荷10N、频率3Hz研究了基体和涂层的摩擦学性能。图4所示为镁合金基体材料和超音速微粒沉积铝硅合金薄涂层及厚涂层的摩擦因数随时间的变化图，分析可得基体和涂层的摩擦曲线均是摩擦初期相对较小，随着摩擦时间的延长，摩擦系数增大并趋于稳定；厚涂层的摩擦系数更稳定约为0.65，薄涂层摩擦系数约为0.5，而镁合金基体的摩擦系数约为0.45，因此所得厚涂层的摩擦磨损性能更好。此工艺条件下的盐雾腐蚀试验结果和实施例3中结果相似。

实施例3

采用国防再制造重点实验室中AK-07AC-HAVF超音速微粒沉积设备，在经过喷砂粗化处理的镁合金基体表面喷涂铝基合金粉末，当喷涂距离25cm，送粉器的送粉速度7转/s，固定试样的转台的频率36.3Hz时，此时机器人控制喷嘴的运动速度为1mm/s，喷涂时间为25s，喷涂2遍，其中通过实验测得工艺条件涂层的结合强度为38.7MPa，而涂层的摩擦系数可得到为0.61。分别对镁合金基体、喷涂厚涂层（厚度3mm）进行盐雾环境下腐蚀性能测试。采用再制造国防重点实验室中由上海迈捷实验设备有限公司生产的YMX/Q-150型盐雾腐蚀试验箱进行，腐蚀试验按IS0376-81976的规定，溶液为3.5%NaCl（质量百分比）溶液，试验时盐雾箱温度恒定保持(35±1)℃，连续喷雾。图5所示为盐雾腐蚀48h之后镁合金基体的SEM图像（200×），图6所示为盐雾腐蚀48h之后厚涂层的SEM图像（100×）。分析可知，镁合金在盐雾腐蚀在48小时腐蚀产物已将试样整个表面覆盖，并且腐蚀产物疏松多孔，对下层金属保护性差，深层金属继续遭到腐蚀，而对于铝合金涂层，由于腐蚀过程中生成了Al₂O₃和Al(OH)₃的腐蚀产物，阻止了涂层的进一步腐蚀，对基体起到保护作用。图7（a）所示为盐雾腐蚀192h之后的镁合金基体的宏观表面形貌；图7（b）为盐雾腐蚀192h之后的超音速微粒沉积薄涂层的宏观表面形貌；图7（c）所示为盐雾腐蚀192h之后的超音速微粒沉积厚涂层的宏观表面形貌。分析可知，厚涂层防腐性能比薄涂层防腐性能优异，可对基体进行保护，避免或者能消除一般化学或者电化学腐蚀。

Claims (1)

1.一种镁合金表面铝基合金厚涂层的制备方法，其特征在于，采用超音速微粒沉积技术，步骤如下：

1)制备镁合金基体试样；使用筛粉器得到铝基合金粉末粒径为45μm~70μm；涂层制备工艺参数为：喷涂距离15~25cm，送粉器的送粉速度5~10转/s，固定试样的转台的频率12.1~36.3Hz；

2)采用超音速微粒沉积设备喷涂过程：试样安装在转台上并随着转台圆周转动；喷嘴轴线平行转台的中心线，喷嘴以1~5mm/s速度垂直于试样作上下周期运动；喷嘴安装在机器人上，通过控制机器人实现喷嘴上下运动的周期时间和运动的速度，控制送粉器的送粉速度；每次喷涂时间为13-25s，喷涂2-3遍。