CN104120377B

CN104120377B - 一种采用爆炸喷涂在烧结NdFeB表面制备Al涂层的方法

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Publication number: CN104120377B
Application number: CN201410361184.4A
Authority: CN
Inventors: 周春根; 马吉昭; 刘晓芳
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: CN104120377A

Abstract

本发明公开了一种采用爆炸喷涂在烧结NdFeB表面制备Al涂层的方法，经本发明方法得到的微米级Al涂层与NdFeB基体材料结合紧密，微米级Al涂层为纯铝相，且涂层均匀，致密度高、孔隙率低。具有Al涂层的烧结NdFeB在盐溶液中的腐蚀电流密度仅为烧结NdFeB的1/5，且Al涂层表面形成Al₂O₃氧化膜层，能够有效保护烧结NdFeB基体。

Description

一种采用爆炸喷涂在烧结NdFeB表面制备Al涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种采用爆炸喷涂工艺在烧结NdFeB表面制备微米级Al涂层的方法。

背景技术

烧结NdFeB是迄今为止磁性最强的永磁材料，广泛地应用于电子、机电、仪表和医疗等诸多领域，是当今世界上发展最快，市场前景最好的永磁材料。但是烧结NdFeB材料的一个最明显的缺点是耐腐蚀性差，从而大大地限制了这类磁体在高温和潮湿等环境中的应用。

爆炸喷涂(detonation flame spraying)是以瞬间释放的高能量(爆炸能量)形成的热能将喷涂材料加热熔融，并使其加速而沉积到工件表面形成涂层的热喷涂工艺方法。爆炸喷涂的原理图如图1所示。

目前，提高NdFeB材料耐蚀性能的途径有合金化法和表面防护涂层法两种。NdFeB磁体的表面防腐蚀涂层主要有金属涂层、有机涂层和复合涂层。工业应用中较为广泛的为电镀Ni、Zn、Cu，化学镀Ni-P合金，离子镀Al，PVD镀TiN等。研究表明，纯Al镀层具有较好的防腐蚀性能，并在镀层与基体之间的界面上存在一个较窄的成分过渡区，提高了镀层/基体的结合强度，同时满足耐腐蚀、颜色、耐磨损、电绝缘等性能要求，因而具有良好的发展前景。但是现有的Al涂层技术仍存在着一些不足：均匀性差、结合力低、裂纹较高；且工艺复杂，成本较高；值得注意的是，电镀、化学镀和电泳等过程所遗留下来的废液中含有大量有毒物质，而且很难净化，其排放对生态环境十分不利。这一系列问题的解决，将有赖于新的Al涂层工艺的开发。

发明内容

本发明的目的是采用爆炸喷涂的方法在烧结NdFeB表面制备纯铝相的微米级Al涂层。该方法制备的Al涂层在盐溶液中形成Al₂O₃氧化膜层，能够有效提高烧结NdFeB基体的耐蚀性能。

本发明提出的一种采用爆炸喷涂在烧结NdFeB表面制备Al涂层的方法，其特征在于包括有下列步骤：

第一步：基体前处理

(A)采用未充磁的烧结NdFeB作为基体材料，硬度Hv＝6.20，密度D为7.5～7.6；

将基体置于质量分数为99.7％的酒精中进行超声清洗以除油，超声频率为30～50KHz的条件下，超声清洗5～10 min后，自然凉干得到第一基体；

(B)对第一基体进行喷砂处理，得到粗糙度Ra＝3～3.5的第二基体；

第二步：采用爆炸喷涂制备Al涂层

爆炸喷涂材料是粒度为300～400目的铝，所述铝的质量百分比纯度为99.99％；

将爆炸喷涂材料装入气体爆炸喷涂设备中；

将第二基体安装在夹具上；

调节气体爆炸喷涂工艺参数：氧和乙炔的气体流量比为1.0～1.3:1，工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为100～140mm，炮口直径为20～25mm，N₂送粉率为0.3～0.6克/秒，喷涂材料表面升温为100～200℃；制得16～20微米的Al涂层在烧结NdFeB表面。

本发明采用爆炸喷涂工艺制备Al涂层的优点在于：本发明方法制备的Al涂层与基体结合良好，涂层致密，厚度均匀，表面孔隙率低，仅为0.83％。在电化学测试研究中表明，在3.5wt％NaCl溶液中的腐蚀电流密度为1.301×10^-5 A/cm²，仅为NdFeB基体的1/5，且在浸泡过程中不断形成Al₂O₃氧化膜层，可以有效保护烧结NdFeB基体，提高其耐蚀性。

附图说明

图1是爆炸喷涂的原理图。

图2是经实施例1方法在烧结NdFeB表面制得的Al涂层的截面形貌SEM图。

图3是经实施例1方法在烧结NdFeB表面制得的Al涂层与Al粉的XRD图谱对比。

图4是经实施例1方法在烧结NdFeB表面制得的Al涂层及N35在盐溶液中的动电位极化曲线对比。

图5是经实施例1方法在烧结NdFeB表面制得的Al涂层和N35在盐溶液中的奈奎斯特图对比。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种采用爆炸喷涂在烧结NdFeB表面制备Al涂层的方法，包括有下列步骤：

第一步：基体前处理

(A)采用未充磁的烧结NdFeB(N35)作为基体材料，硬度Hv＝6.20，密度D为7.5～7.6；

(B)对第一基体进行喷砂处理，得到粗糙度为3～3.5(Ra＝3～3.5)的第二基体；

在本发明中，对烧结NdFeB进行清洁、除油及喷砂是为得到洁净的基体表面，这有利于涂层与基体的结合，更加紧密。由于本发明中采用的爆炸喷涂是在相对低的温度下进行涂层的制备，所以烧结NdFeB表面要有较大的粗糙度。

第二步：采用爆炸喷涂制备Al涂层

爆炸喷涂材料选用工业纯铝(质量百分比纯度为99.99％)粉，铝粉粒度为300～400目；

将爆炸喷涂材料装入气体爆炸喷涂设备中；

将第二基体安装在夹具上；

调节气体爆炸喷涂工艺参数，制备Al涂层；

氧和乙炔的气体流量比为1.0～1.3:1，工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为100～140mm，炮口直径为20～25mm，N₂送粉率为0.3～0.6克/秒，喷涂材料表面升温为100～200℃。

在本发明中，采用选取的爆炸喷涂参数能够使Al涂层与基体结合紧密，在较低的喷涂材料温度下，不会损伤烧结NdFeB的磁性。

实施例1

第一步：基体前处理

(A)采用牌号为N35未充磁的烧结NdFeB试样作为基体材料，硬度Hv＝6.20，密度D为7.6；

将基体置于质量分数为99.7％的酒精中进行超声清洗的除油处理，在频率为30KHz的条件下，超声清洗5 min后，自然凉干得到第一基体；

(B)对第一基体安装在DB-1喷砂机上，调节压力为0.7 MPa，选取60目的刚玉砂进行喷砂处理，得到粗糙度为Ra＝3的第二基体；

第二步：采用爆炸喷涂工艺制备Al涂层

爆炸喷涂材料选用工业纯铝(质量百分比纯度为99.99％)粉，平均粒径为38微米；铝粉的XRD照片如图3所示，横坐标为角度，纵坐标为相对强度。

将爆炸喷涂材料装入气体爆炸喷涂设备中；

将第二基体安装在夹具上；

调节气体爆炸喷涂工艺参数，制备Al涂层，得到具有Al涂层的基体；

氧和乙炔的气体流量比为1.2:1，工作频率为4次/秒，喷涂距离为120mm，炮口直径为20mm，N₂送粉率为0.5克/秒，喷涂材料表面升温为120℃。

第三步：耐腐蚀测试

将实施例1制备的具有Al涂层的基体经SEM(如图2)和XRD(如图3)分析表明，Al涂层由纯铝相组成，说明喷涂过程中并未发生明显的氧化现象，涂层非常致密，厚度均匀，为16.805μm。爆炸喷涂Al涂层表面经打磨、抛光后在金相显微镜下孔隙率的测定，结果为0.83％，证明了爆炸喷涂具有低孔隙率的优点。

分别对实施例1制备的具有Al涂层的基体和N35进行动电位极化曲线测试和交流阻抗测试，研究其腐蚀电化学性能。测试主要采用传统的三电极电化学测试体系进行，参比电极和辅助电极分别为饱和甘汞电极和铂片，工作电极为具有Al涂层的基体和N35，所有测试均在室温(25℃)条件下完成，腐蚀介质为3.5 wt％NaCl溶液。

图4为具有Al涂层的基体和N35在3.5 wt％NaCl溶液中的动电位极化曲线。在图4中，横坐标为电流，纵坐标为电压。由图中可知，Al涂层腐蚀电流密度(1.301×10^-5A/cm²)不到NdFeB基体腐蚀电流密度(6.536×10^-5A/cm²)的五分之一。这说明，在3.5 wt％NaCl溶液中，Al涂层表面不断形成Al₂O₃氧化膜层，能够有效保护烧结NdFeB基体，提高其耐蚀性能。

图5为具有Al涂层的基体和牌号为N35在3.5 wt％NaCl溶液中的奈奎斯特(Nyquist)图。在图5中，横坐标为开环频率特性的实部(幅值)，纵坐标为开环频率特性的虚部(相位)。由图中可知，N35包含一个高频容抗弧和一个低频感抗弧，而Al涂层仅有一个高频容抗弧。基体感抗弧的存在说明在腐蚀介质下，NdFeB表面容易形成点蚀，而Al涂层则不易形成点蚀。同时，Al涂层的高频容抗弧半径远大于NdFeB基体，这说明，Al涂层的阻抗远大于基体，因此，爆炸喷涂Al涂层能够很好地保护烧结NdFeB基体，该结果与上述动电位极化曲线测试结果相一致。

实施例2

第一步：基体前处理

将基体置于质量分数为99.7％的酒精中进行超声清洗的除油处理，在频率为40KHz的条件下，超声清洗5 min后，自然凉干得到第一基体；

(B)对第一基体安装在DB-1喷砂机上，调节压力为0.7 MPa，选取60目的刚玉砂进行喷砂处理，得到粗糙度为Ra＝3.5)的第二基体；

第二步：采用爆炸喷涂制备Al涂层

爆炸喷涂材料选用工业纯铝(质量百分比纯度为99.99％)粉，平均粒径为38微米；

将爆炸喷涂材料装入气体爆炸喷涂设备中；

将第二基体安装在夹具上；

氧和乙炔的气体流量比为1:1，工作频率为6次/秒，喷涂距离为100mm，炮口直径为20mm，N₂送粉率为0.6克/秒，喷涂材料表面升温为120℃。

第三步：耐腐蚀测试

将实施例2制备的具有Al涂层的基体经SEM和XRD分析表明，Al涂层由纯铝相组成，说明喷涂过程中并未发生明显的氧化现象，涂层非常致密，厚度均匀，为18.307μm。爆炸喷涂Al涂层表面经打磨、抛光后在金相显微镜下孔隙率的测定，结果为0.77％，证明了爆炸喷涂具有低孔隙率的优点。

对实施例2制备的具有Al涂层的基体进行动电位极化曲线测试，测试主要采用传统的三电极电化学测试体系进行，参比电极和辅助电极分别为饱和甘汞电极和铂片，工作电极为具有Al涂层的基体，所有测试均在室温(25℃)条件下完成，腐蚀介质为3.5 wt％NaCl溶液。测得具有Al涂层基体的腐蚀电流密度为1.240×10^-5A/cm²，这说明在3.5 wt％NaCl溶液中，Al涂层表面不断形成Al₂O₃氧化膜层，能够有效保护烧结NdFeB基体。

实施例3

第一步：基体前处理

将基体置于质量分数为99.7％的酒精中进行超声清洗的除油处理，在频率为30KHz的条件下，超声清洗15 min后，自然凉干得到第一基体；

(B)对第一基体安装在DB-1喷砂机上，调节压力为0.7 MPa，选取60目的刚玉砂进行喷砂处理，得到粗糙度为Ra＝3.3的第二基体；

第二步：采用爆炸喷涂制备Al涂层

将爆炸喷涂材料装入气体爆炸喷涂设备中；

将第二基体安装在夹具上；

氧和乙炔的气体流量比为1.3:1，工作频率为5次/秒，喷涂距离为140mm，炮口直径为25mm，N₂送粉率为0.5克/秒，喷涂材料表面升温为180℃。

第三步：耐腐蚀测试

将实施例3制备的具有Al涂层的基体经SEM和XRD分析表明，Al涂层由纯铝相组成，说明喷涂过程中并未发生明显的氧化现象，涂层非常致密，厚度均匀，为17.638μm。爆炸喷涂Al涂层表面经打磨、抛光后在金相显微镜下孔隙率的测定，结果为0.81％，证明了爆炸喷涂具有低孔隙率的优点。

对实施例3制备的具有Al涂层的基体进行动电位极化曲线测试，测试主要采用传统的三电极电化学测试体系进行，参比电极和辅助电极分别为饱和甘汞电极和铂片，工作电极为具有Al涂层的基体，所有测试均在室温(25℃)条件下完成，腐蚀介质为3.5 wt％NaCl溶液。测得具有Al涂层基体的腐蚀电流密度为1.309×10^-5A/cm²，这说明在3.5 wt％NaCl溶液中，Al涂层表面逐渐形成Al₂O₃氧化膜层，能够有效保护烧结NdFeB基体。

Claims

1.一种采用爆炸喷涂在烧结NdFeB表面制备Al涂层的方法，其方法包括有，第一步：基体前处理步骤；将基体置于质量分数为99.7％的酒精中进行超声清洗以除油，超声频率为30～50KHz的条件下，超声清洗5～10min后，自然凉干得到第一基体；对第一基体进行喷砂处理，得到粗糙度Ra＝3～3.5的第二基体；和第二步：采用爆炸喷涂制备Al涂层；其特征在于：

在第一步的基体前处理中，

采用未充磁的烧结NdFeB作为基体材料，硬度Hv＝6.20，密度D为7.5～7.6；

在第二步的采用爆炸喷涂制备Al涂层中，

将爆炸喷涂材料装入气体爆炸喷涂设备中；

将第二基体安装在夹具上；

调节气体爆炸喷涂工艺参数：氧和乙炔的气体流量比为1.0～1.3:1，工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为100～140mm，炮口直径为20～25mm，N₂送粉率为0.3～0.6克/秒，喷涂材料表面升温为100～200℃；制得16～20微米的Al涂层在烧结NdFeB表面，且Al涂层的孔隙率为0.75％～0.85％。

2.根据权利要求1所述的采用爆炸喷涂在烧结NdFeB表面制备Al涂层的方法，其特征在于：在烧结NdFeB表面制得的Al涂层的腐蚀电流密度为1.0～1.5×10^-5A/cm²。

3.根据权利要求1所述的采用爆炸喷涂在烧结NdFeB表面制备Al涂层的方法，其特征在于：在烧结NdFeB表面制得的Al涂层的在盐溶液中形成Al₂O₃氧化膜层，能够有效提高烧结NdFeB基体的耐蚀性能。