CN104213064B - 一种铝基材表面的爆炸喷涂碳化钨涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝基材表面的爆炸喷涂碳化钨涂层的制备方法，其步骤如下：步骤1、采用除油、喷丸工艺对原位自生TiB2颗粒增强的铝基材表面进行预处理；步骤2、采用脉冲式爆炸喷涂方法在所述原位自生TiB2颗粒增强铝基材的表面制备耐磨防腐的WC‑10Co4Cr涂层，并控制铝基材温度为60～120℃；步骤3、喷涂完成后，采用金刚石砂轮对所述的涂层进行磨削精加工；步骤4、采用环氧树脂封孔剂对所述的涂层进行封闭处理。本发明可用于直升机旋翼系统连接件桨毂夹板复合材料表面制备涂层，以提高TiB2颗粒增强铝基复合材料表面抗腐蚀性能，同时可有效避免由于微动磨损和表面划伤引起的失效，材料耐疲劳断裂使用寿命可提高3倍以上。

Description

一种铝基材表面的爆炸喷涂碳化钨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及表面涂层的制备方法，尤其涉及一种可用于直升机旋翼系统桨毂夹板等铝基复合材料表面，兼具耐磨和防腐功能的爆炸喷涂碳化钨涂层的制备方法。
背景技术
磨损是材料失效的三种主要形式之一，设备的故障往往是个别零件失效造成的。直升机旋翼系统桨毂夹板对材料表面性能要求很高，特别是在高速、重载的条件下，表面的局部磨损会造成零件的失效和降低装备的可靠性。通过原位自生引入TiB2颗粒增强相，大大提高了铝合金的力学性能，替代了法国进口的粉末冶金SiC增强铝基复合材料。但是，TiB2增强颗粒的存在使得复合材料的腐蚀行为复杂化，其抗腐蚀性能要比基体合金低得多，经耐盐雾腐蚀试验后，桨毂夹板的耐微动磨损疲劳寿命由原来的2400h下降到1000h左右。有关铝基复合材料表面耐磨防腐涂层制备工艺的报道极少，且研究工作主要是针对SiC颗粒增强的复合材料，通过在材料表面制备3-5μm氧化铝膜，然后用铬酸盐对其进行封孔处理，铬酸盐的使用给环境造成了严重的污染。
碳化钨是540℃以下硬度最高的涂层，特别是WC-10Co4Cr涂层具有良好的耐磨和抗腐蚀性能。而常用的超音速火焰喷涂和等离子喷涂的中心火焰最高接近10000℃，将喷涂材料加热到熔融状态后随等离子弧焰流撞击并沉积到工件表面形成涂层。喷涂材料粒子的飞行速度低，导致粒子扁平化程度不足，涂层内部孔隙率一般高达3-10％，涂层结合强度差；喷涂过程温度高容易引起基材退火造成力学性能下降，而铝合金表面温度超过170℃时，会造成喷丸产生的残余压应力消失，使铝合金材料的耐疲劳断裂使用寿命明显降低。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种可用于直升机旋翼系统桨毂夹板铝基复合材料表面兼具耐磨和防腐功能的爆炸喷涂碳化钨涂层制备方法。
本发明提出的铝基材表面的爆炸喷涂碳化钨涂层的制备方法，其步骤如下：
步骤1、采用除油、喷丸工艺对原位自生TiB2(二硼化钛)颗粒增强的铝基材表面进行预处理，以增加材料表面粗糙度，提高材料表面的残余压应力和涂层与基材间的结合强度；
步骤2、采用脉冲式爆炸喷涂方法在所述原位自生TiB2颗粒增强铝基材的表面制备耐磨防腐的WC-10Co4Cr涂层，并控制铝基材温度为60～120℃；
其中，所述脉冲式爆炸喷涂中，氧气、乙炔和丙烷混合气体流量比例范围为(1.2～1.5)：1.0：(0.05-0.15)m3/h，，爆炸频率为3～6次/秒，喷涂距离为150～200mm，炮口直径为16～20mm，WC-10Co4Cr为粉体，其送粉量为0.5～0.8g/s，涂层厚度为150～200μm；
步骤3、喷涂完成后，采用金刚石砂轮对所述的涂层进行磨削精加工，使得所述涂层表面无烧伤、裂纹；显微硬度HV0.3为1000～1400，涂层与铝基材的结合强度≥150MPa，封孔前孔隙率≤1.0％；
步骤4、采用环氧树脂封孔剂对所述的涂层进行封闭处理，利用环氧树脂的化学反应封闭所述涂层中的微孔，封孔后孔隙率≤0.05％，耐盐雾试验≥1000h；桨毂夹板疲劳寿命≥2400h。
与现有技术相比，本发明的优点：
(1)本发明在原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料表面制备均匀致密的环氧树脂封孔耐磨防腐涂层。通过在氧气和乙炔混合气体中通入丙烷，在保证爆炸能量和粒子飞行速度的前提下，可以在还原气氛下制备低脱碳率和氧含量的WC-10Co4Cr耐磨防腐涂层。在氧气、乙炔爆炸喷涂制备WC涂层的过程中，由于爆炸温度高，部分WC粒子在高温气流中发生分解，涂层的韧性和耐磨性降低。而在氧气和乙炔混合气体中通入丙烷，由于丙烷燃烧时放出的热能较乙炔要低，可以减少WC粉末的过热；而且丙烷为单键结构，相比乙炔的三键结构分子链断裂能较大，爆炸时粒子受热均匀且较发散的火焰有利于粒子的均匀雾化。通过调整爆炸喷涂工艺参数，可制备硬度和结合强度高、韧性好的WC-10Co4Cr耐磨防腐涂层。
(2)喷丸预处理和爆炸喷涂高速粒子冲击在复合材料表面形成的压应力，可明显提高桨毂夹板的耐疲劳使用寿命，而且脉冲式爆炸喷涂制备涂层过程中，铝基材温度升高不超过120℃，不会降低喷丸和喷涂产生的残余压应力。
(3)本发明的爆炸喷涂制备WC-10Co4Cr涂层，解决了用于直升机旋翼系统连接件桨毂夹板新型铝基复合材料的耐磨和防腐问题，可有效避免由于微动磨损和表面划伤引起的零件失效，使用寿命平均提高3倍以上。盐雾腐蚀42天后，最优工艺制备的涂层封孔后表面未发现任何腐蚀产物。
(4)用无毒的环氧树脂有机封孔剂、室温抽真空技术取代了传统的铬酸盐封孔工艺，解决了六价铬严重污染环境和危害人体健康的问题。用环氧树脂封孔剂对涂层中的微孔进行封闭处理后，进一步降低涂层的孔隙率，提高了涂层的防腐性能。该工艺方法简单，具有较广的应用范围。
具体实施方式
实施例1:
工件基材为可用于直升机旋翼系统桨毂夹板的原位自生TiB2颗粒增强的铝基材，喷涂前用丙酮将铝基材工件进行超声清洗10min去除油脂，然后用直径1mm的铸钢球进行喷丸处理，喷丸压力0.4MPa、时间30min。以增加材料表面粗糙度，提高铝基材表面的残余压应力和涂层与基材间的结合强度。
喷涂过程：在每次爆炸之前，首先向爆炸室内输送氧气、乙炔和丙烷气可燃混合气体；然后由送粉器输送雾化的WC-10Co4Cr粉料；通过火花塞点火使之迅速燃烧并发生爆炸，形成高温高速燃气流；被高温熔化或软化的粒子经1.1m长的炮筒向工件表面轰击，喷枪口的涂料颗粒飞行速度高达800～1200米/秒，粉末粒子对铝基材撞击力大，脉冲式的爆炸喷涂抑制了铝基材的升温，在铝基材表面上通过斑点叠加形成高质量的涂层。爆炸后枪膛内送入氮气清扫气体，以保持枪内清洁，为继续喷涂做准备。控制喷涂后工件温度为60～120℃，喷涂完成后采用金刚石砂轮对涂层进行磨削精加工。爆炸喷涂工艺参数见表1。
将低粘度的环氧树脂E51和聚醚胺D-230固化剂按重量份比为100：30混合均匀。用刷涂或喷涂的方法将封孔剂均匀的涂覆于涂层表面，在真空干燥箱中抽真空至0.1MPa保持20min，使其充分渗入到涂层孔隙中，然后用丙酮除去表面多余的树脂，室温固化6h即可获得封孔效果良好的涂层。涂层和桨毂夹板的性能见表2。
表1 爆炸喷涂工艺参数
爆炸频率 6次/秒
O2：C2H2：C3H8流量，m3/h 1.5：1：0.15
O2：C2H2：C3H8压力，MPa 0.3：0.26：0.26
喷涂距离 200mm
炮口直径 20
送粉量 0.8g/秒
铝基材温度 100～120℃
表2 涂层和桨毂夹板的性能
硬度HV0.3 1380
结合强度，MPa 178
涂层厚度，μm 200
封孔前孔隙率，％ 0.52
封孔后孔隙率，％ 0.04
耐盐雾时间，h 1000
耐盐雾试验1000h后桨毂夹板疲劳寿命，h 3200
实施例2:
工件基材为可用于直升机旋翼系统桨毂夹板的原位自生TiB2颗粒增强的铝基复合材料，喷涂前用丙酮将复合材料工件进行超声清洗10min去除油脂，然后用直径1mm的铸钢球进行喷丸处理，喷丸压力0.4MPa、时间30min。爆炸喷涂工工艺和封孔工艺过程同实施例1，爆炸喷涂工艺参数见表3，涂层和桨毂夹板的性能见表4。
表3 爆炸喷涂工艺参数
爆炸频率 4次/秒
O2：C2H2：C3H8流量，m3/h 1.4：1.0：0.1
O2：C2H2：C3H8压力，MPa 0.3：0.26：0.26
喷涂距离 175mm
炮口直径 18
送粉量 0.5g/秒
铝基材温度 80～100℃
表4 涂层和桨毂夹板的性能
硬度HV0.3 1240
结合强度，MPa 168
涂层厚度，μm 180
封孔前孔隙率，％ 0.64
封孔后孔隙率，％ 0.04
耐盐雾时间，h 1000
耐盐雾试验1000h后桨毂夹板疲劳寿命，h 3000
实施例3:
基材为原位自生TiB2颗粒增强的铝基复合材料，喷涂前用丙酮将复合材料工件进行超声清洗10min去除油脂，然后用直径1mm的铸钢球进行喷丸处理，喷丸压力0.4MPa、时间30min。爆炸喷涂工工艺和封孔工艺过程同实施例1，爆炸喷涂工艺参数见表5，涂层和桨毂夹板性能见表6。
表5 爆炸喷涂工艺参数
爆炸频率 3次/秒
O2：C2H2：C3H8流量，m3/h 1.2：1.0：0.05
O2：C2H2：C3H8压力，MPa 0.3：0.26：0.26
喷涂距离 150mm
炮口直径 16
送粉量 0.3g/秒
铝基材温度 60～80℃
表6 涂层和桨毂夹板的性能
硬度HV0.3 1150
结合强度，MPa 162
涂层厚度，μm 150
封孔前孔隙率，％ 0.72
封孔后孔隙率，％ 0.04
耐盐雾时间，h 1000
耐盐雾试验1000h后桨毂夹板疲劳寿命，h 3000
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限于此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铝基材表面的爆炸喷涂碳化钨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、采用除油、喷丸工艺对原位自生二硼化钛（TiB2）颗粒增强的铝基材表面进行预处理；
步骤2、采用脉冲式爆炸喷涂方法在所述原位自生TiB2颗粒增强的铝基材的表面制备耐磨防腐的WC-10Co4Cr涂层，并控制该铝基材温度为60～120℃；
其中，所述脉冲式爆炸喷涂中，氧气、乙炔和丙烷混合气体流量比例范围为（1.2～1.5）：1.0：（0.05-0.15）m3/h，爆炸频率为3～6次/秒，喷涂距离为150～200mm，炮口直径为16～20mm，WC-10Co4Cr为粉体，其送粉量为0.5～0.8g/s，涂层厚度为150～200μm；
步骤3、喷涂完成后，采用金刚石砂轮对所述的涂层进行磨削精加工，使得所述涂层表面无烧伤、裂纹；显微硬度HV0.3为1000～1400，涂层与铝基材的结合强度≥150MPa，封孔前孔隙率≤1.0%；
步骤4、采用环氧树脂封孔剂对所述的涂层进行封闭处理，利用环氧树脂的化学反应封闭所述涂层中的微孔，封孔后孔隙率≤0.05%，耐盐雾试验≥1000h；桨毂夹板疲劳寿命≥2400h。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，采用丙酮对所述的铝基材表面进行超声清洗去除油脂，然后用直径1mm的铸钢球进行喷丸处理，喷丸时间30min。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述封孔的环氧树脂为低粘度的环氧树脂E51，采用聚醚胺D-230作为固化剂，环氧树脂和固化剂的重量份比为100 ：30；并用刷涂或喷涂的方法将所述的环氧树脂均匀的涂覆于所述涂层表面，抽真空使其充分渗入到涂层孔隙中，再用丙酮除去表面多余的树脂，室温固化6h获得封孔效果良好的涂层。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述WC-10Co4Cr粉末的粒度为15～38μm。
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