CN103352198A

CN103352198A - 一种高速电弧喷涂制备Al-Ni-Mm-Co非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材

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Publication number: CN103352198A
Application number: CN2013102601821A
Authority: CN
Inventors: 梁秀兵; 徐滨士; 张志彬; 陈永雄; 胡振峰; 蔡志海; 乔玉林
Original assignee: Beijing Ronglu Machinery Products Remanufacturing Technology Co Ltd; Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: Beijing Ronglu Machinery Products Remanufacturing Technology Co Ltd; Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103352198B

Abstract

一种高速电弧喷涂制备Al-Ni-Mm-Co非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材属于表面工程技术领域，主要应用于装备钢结构件、轻合金零部件的表面防护。本发明所提供高速电弧喷涂Al-Ni-Mm-Co非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，其特征在于，以纯铝带作为粉芯丝材外皮，粉芯中加入了Ni、Mm、Co金属粉，其组成为：55~65wt% Al，20~25wt% Ni，12~16wt% Mm，0~5wt% Co，所述的Mm为25wt% La、54wt% Ce、6wt% Pr和15wt% Nd组成的混合稀土。该铝基非晶纳米晶复合涂层同时具有耐腐蚀、抗磨损双重功能，可为钢结构件、轻合金零部件表面腐蚀等防护提供行之有效的技术支撑和材料保障。

Description

一种高速电弧喷涂制备Al-Ni-Mm-Co非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材

技术领域

属于材料加工工程中的热喷涂领域，该发明主要应用于沿海及近海腐蚀性工作环境下服役的钢结构件、轻合金零部件表面防护。

背景技术

因腐蚀而造成的材料破坏和变质，给国民经济带来了巨大的经济损失。据有关数据显示，世界各国每年因腐蚀造成了巨大的经济损失，其数值可占各国GDP的3-5%。我国同样因腐蚀而付出了惨重的代价，统计表明，1995年我国腐蚀经济损失高达1500亿元，约占当年GDP的4%；2001年我国腐蚀经济损失高达4979亿元，约占当年GDP的5%；2002年我国腐蚀经济损失近6000亿元，约占当年GDP的5%；2009年我国腐蚀经济损失超过1万亿元。可见，对于材料表面防腐等防护问题的解决刻不容缓。

近年来，热喷涂铝涂层技术以其高效、成本低、大面积制备、易自发形成氧化膜等优势受到了人们的喜爱。其中，尤以高速电弧喷涂铝涂层技术最为常见。但是铝涂层对氯化钠溶液的点蚀较为敏感，以及其硬度较低导致其耐磨损性能差，致使该类材料已无法满足现代工业材料的表面防护应用。

非晶纳米晶复合材料具有优异的力学、防腐与耐磨等性能优势，使其成为本世纪最受人们关注的材料体系之一。非晶材料无晶界、位错、层错等缺陷，组织均匀，具有较高的硬度和优异的防腐性能；纳米晶材料粒径小，表面活性大，在腐蚀介质中可促进形成钝化膜，阻碍腐蚀的发生，同时其弥散分布于非晶中可起到硬质强化作用。因此，通过调整铝基粉芯丝材的合金成分，使铝基涂层内部微观组织结构由非晶、纳米晶和晶化相共同组成，将会获得兼具优异防腐与耐磨双重功能的铝基非晶纳米晶复合涂层，可为工程结构材料的表面防护提供技术支撑和材料保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝基粉芯丝材，利用高速电弧喷涂技术采用该铝基粉芯丝材制备的铝基涂层是由非晶、纳米晶和晶化相共同组成的，其防腐与耐磨性能明显优于高速电弧喷涂传统铝涂层。

本发明提供的铝基粉芯丝材，其特征在于，以纯铝带作为粉芯丝材外皮，粉芯中加入了Ni、Mm、Co金属粉，其组成为：55~65wt% Al，20~25wt% Ni，12~16wt% Mm，0~5wt% Co。所述的Mm为25wt% La、54wt% Ce、6wt% Pr和15wt% Nd组成的混合稀土。所述的Ni和Co所代表的元素的纯度均不低于99.5wt%。

采用本发明的铝基粉芯丝材，利用高速电弧喷涂技术获得的铝基非晶纳米晶复合涂层中含有较多的纳米级金属间化合物，可以充分地发挥纳米级金属间化合物弥散分布于非晶中的复合结构促使该类涂层在NaCl水溶液中所具有的优异抗腐蚀性能和耐磨损性能。腐蚀与磨损试验表明，采用本发明的铝基粉芯丝材制备的铝基涂层的防腐蚀性能与耐磨性能明显优于采用相同制备工艺下的传统铝涂层。可为沿海及近海钢结构件和轻合金零部件表面腐蚀和防护问题的解决，提供行之有效的措施，应用前景十分广泛。

附图说明

图1为铝基粉芯丝材的制备工艺示意图及实物图。

图2为铝基粉芯丝材高速电弧喷涂现场照片。

图3为实施例1铝基非晶纳米晶复合涂层的横截面扫描电镜照片。

图4为实施例1铝基非晶纳米晶复合涂层的XRD分析结果

图5为实施例1铝基非晶纳米晶复合涂层的透射电镜照片(a)非晶相(b)非晶和纳米晶相

图6为实施例2铝基非晶纳米晶复合涂层的横截面扫描电镜照片。

图7为实施例2铝基非晶纳米晶复合涂层的XRD分析结果

图8为实施例2铝基非晶纳米晶复合涂层的透射电镜照片(a)非晶相(b)非晶和纳米晶相

图9为实施例3铝基非晶纳米晶复合涂层的横截面扫描电镜照片。

图10为实施例3铝基非晶纳米晶复合涂层的XRD分析结果

图11为实施例3铝基非晶纳米晶复合涂层的透射电镜照片(a)非晶相(b)非晶和纳米晶相

图12为涂层在3.5wt%NaCl溶液中的动电位极化曲线

图13为涂层在不同环境下的相对耐磨性

具体实施方式

1.铝基粉芯丝材的制备

选用10×0.3（宽度为10mm，厚度为0.3mm）的纯铝带，先将其轧制成U形，取Ni、Mm和Co定量混合均匀，然后将混合粉加入到U形铝带槽中，使铝基粉芯丝材的组成为：55~65wt% Al，20~25wt% Ni，12~16wt% Mm，0~5wt% Co，所述的Mm为25wt% La、54wt% Ce、6wt% Pr和15wt% Nd组成的混合稀土。将U形槽合口，使其将混合粉包裹住，最后经多道拉丝减径获得直径为2.0mm的铝基粉芯丝材，制备工艺示意图和铝基粉芯丝材实物照片如附图1所示。

2.铝基非晶纳米晶复合涂层的制备

采用高速喷涂技术制备铝基涂层，喷涂工艺参数为：喷涂电压为140A，喷涂电压为34V，喷涂气体压力为0.7MPa，喷涂距离为150-180mm。附图2为铝基粉芯丝材高速电弧喷涂现场照片。由附图2可知，所制备的铝基粉芯丝材在高速电弧喷涂过程中非常顺畅，喷涂性能满足要求。

实施例1 采用上述铝基粉芯丝材制备方式制备本实施例铝基粉芯丝材，其成分组成如附表1中配方1所示。附图3为实施例1所获得的铝基非晶纳米晶复合涂层的SEM照片，可见该涂层组织结构致密，孔隙率低，涂层与基体结合良好。附图4和5分别为实施例1所获得的铝基非晶纳米晶复合涂层的XRD和TEM照片，由于实施例1粉芯丝材中没有添加Co粉，因此该涂层由非晶、α-Al纳米晶、AlNi纳米晶以及晶化相共同组成的。通过拟合计算得到该涂层中非晶含量约为18.6%（体积分数），纳米晶粒大小在10~50nm范围内。此外，该涂层的平均显微硬度值约为HV_0.1335。

实施例2采用上述铝基粉芯丝材制备方式制备本实施例铝基粉芯丝材，其成分组成如附表1中配方2所示。附图4为实施例2所获得的铝基非晶纳米晶复合涂层的SEM照片，可见该涂层组织结构致密，孔隙率低，涂层与基体结合良好。附图5和6分别为实施例2所获得的铝基非晶纳米晶复合涂层的XRD和TEM照片，由于实施例2粉芯丝材中含有Co粉，因此该涂层由非晶、α-Al纳米晶、AlNi纳米晶、Al₁₃Co₄纳米晶以及晶化相共同组成的。通过拟合计算得到该涂层中非晶含量约为17.2%（体积分数），纳米晶粒大小在10~90nm范围内。此外，该涂层的平均显微硬度值约为HV_0.1342。

实施例3采用上述铝基粉芯丝材制备方式制备本实施例铝基粉芯丝材，其成分组成如附表1中配方3所示。附图9为实施例3所获得的铝基非晶纳米晶复合涂层的SEM照片，可见该涂层的组织结构致密，没有明显的裂纹、孔隙等缺陷，涂层与基体之间的结合良好。附图10和11分别实施例3所获得的铝基非晶纳米晶复合涂层的XRD和TEM分析结果。由于实施例3粉芯丝材中含有Co粉，因此该涂层由非晶、α-Al纳米晶、AlNi纳米晶、Al₁₃Co₄纳米晶以及晶化相共同组成的。通过拟合计算得到该涂层中非晶含量约为16.5%（体积分数），纳米晶粒大小在5~80nm范围内。此外，该涂层的平均显微硬度值约为HV_0.1350。

3.防腐蚀、耐磨损性能测试

（1）防腐蚀性能采用电化学腐蚀试验来研究铝基非晶纳米晶复合涂层的动电位极化曲线情况，以分析涂层的耐腐蚀性能。用于腐蚀试验的试样尺寸为10mm×10mm×10mm，试样单面喷涂铝基非晶纳米晶复合涂层，采用防水型环氧树脂将其余各面进行封闭处理，固化后放入腐蚀溶液中进行浸泡试验。腐蚀溶液选用3.5wt%NaCl溶液。试验在室温下进行，采用三电极体系电解池，涂层为工作电极，有效面积为1cm²，参比电极选用饱和甘汞电极（SCE），辅助电极为大面积铂电极。测量动电位计划曲线时电位扫描范围选择相对于开路电位的-300~+600mV，扫描速率为0.5mV/s。图12为铝基非晶纳米晶复合涂层以及传统铝涂层分别在3.5%NaCl溶液中浸泡0.5h、24h和200h的动电位极化曲线结果，其拟合结果如附表2。由图12可知，铝基非晶纳米晶复合涂层的自腐蚀电流密度远低于传统铝涂层，其自腐蚀电位正于传统铝涂层，说明该涂层具有优异的防腐蚀性能，且明显优于传统铝涂层。

（2）耐磨损性能采用球-盘往复式微摩擦磨损试验，分别测试干摩擦条件下和3.5wt%NaCl溶液环境下铝基非晶纳米晶复合涂层的耐磨损性能。磨损试验中选用的参数为：往复行程为5mm；滑动频率为5Hz；法向载荷为10N；室温下。选用的对磨配偶件为直径4mm的GCr15钢球。在腐蚀溶液环境下的摩擦磨损试验中，将腐蚀溶液完全覆盖整个滑动行程且保证对偶件与磨损表面接触部分完全处于腐蚀环境下。取在3.5wt%NaCl溶液中传统铝涂层的磨损体积为基数1，将干摩擦条件下和在3.5wt%NaCl溶液中铝基非晶纳米晶复合涂层的磨损体积与之相比，获得铝基非晶纳米晶复合涂层的相对耐磨性，如附图13所示。说明铝基非晶纳米晶复合涂层不仅干摩擦条件系的耐磨损性能优异，更是在腐蚀与磨损交互作用下的耐磨损性能优于传统铝涂层1个数量级。

综上所述，本发明的铝基粉芯丝材制备方法简便，通过高速电弧喷涂技术制备的铝基非晶纳米晶复合涂层，具有优异的防腐蚀与耐磨损双重功能。

附表1实施例配方（质量分数/wt%）

配方	Ni	Mm	Co	Al
					1	23	16	—	61
2	25	12	5	58
					3	22	15	3	60

附表2各涂层动电位极化相应的电化学腐蚀参数

注：E_corr为自腐蚀电位，i_corr为自腐蚀电流密度。

Claims

1.一种高速电弧喷涂制备Al-Ni-Mm-Co非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，其特征在于，以纯铝带作为粉芯丝材外皮，粉芯中加入了Ni、Mm、Co金属粉，其组成为：55~65wt% Al，20~25wt% Ni，12~16wt% Mm，0~5wt% Co；所述的Mm为25wt% La、54wt% Ce、6wt% Pr和15wt%Nd组成的混合稀土。

2.如权利要求1所述的高速电弧喷涂制备Al-Ni-Mm-Co非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，其特征在于：所述的Ni和Co的纯度均不低于99.5wt%。