CN104894554B - 一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用 - Google Patents
一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用，属于材料加工技术领域，包括：1)取陶瓷颗粒、金属陶瓷颗粒、纯金属或合金作为喷丸颗粒；取单一成分的纯金属、合金、金属基复合材料，或者，纯金属、合金或金属间化合物中两种或两种以上的混合体作为沉积材料粉末；2)采用冷喷涂工艺，将喷丸颗粒和沉积材料粉末混合后喷涂在基体表面，制得高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体。该方法无需显著提高粒子速度和沉积温度，操作简单，经本发明方法制得的沉积体具有更加优越的导电性、导热性，更高的耐腐蚀、耐磨损和更高的力学性能，因而可以广泛应用于制备高导电、高导热、高耐腐蚀、高耐磨损涂层或高力学性能工件。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用。
背景技术
冷喷涂是一种采用高速气体在较低的温度下(<1000℃)加速微米尺度的粒子(～5-75μm)，使其在完全固态下高速撞击基体(～300-1200m/s)，通过粒子与基体界面处剧烈的塑性变形而实现材料沉积的工艺。较低的气体温度可以避免粉末发生常规热喷涂工艺中诸如氧化、相变、晶粒长大等热影响。同时，较高的粒子速度有助于粒子在沉积过程中发生充分的塑形变形从而获得组织致密的沉积体。这些特点使得冷喷涂金属/金属基涂层通常具有高导电性、高导热性、高耐腐蚀性、高耐磨性等优异特性。另一方面，较低的沉积温度使得冷喷涂成为制备诸如纳米晶金属材料、纳米复合材料、金属玻璃等热敏感材料，以及Ti、Cu及其合金等氧化敏感材料的有效方法，可避免其它工艺引起的缺陷。近期采用冷喷涂技术进行增材制造(3D打印)研究开发也受到关注。这些特点使冷喷涂作为制备保护涂层的方法在机械、化工等领域，作为材料沉积的方法在工件修复、增材制造方面具有广泛的应用前景。
大量研究结果表明，冷喷涂沉积体的性能受自身显微结构，特别是粒子间结合状态和孔隙率的显著影响。沉积体中粒子间的孔隙及弱结合会严重影响电子、热量及力的传导，同时还可成为腐蚀介质进入沉积体内部的快速通道。因此，粒子间结合状态及沉积体的孔隙率高低对于沉积体的导电性、导热性、力学性能及耐腐蚀性能的优劣具有决定性作用。目前冷喷涂工艺中，增强沉积粒子间结合、降低沉积体孔隙率主要有显著增加粒子的速度和温度两种途径。增加粒子的速度可以使在高速撞击过程中在产生更高的应力，迫使粒子发生更大的塑性变形；增加粒子的温度可以显著提升粒子的塑性变形能力进而降低粒子沉积所需临界速度同时产生更大的塑性变形。显著提高粒子的速度通常要以价格昂贵的氦气(约为N2的40倍)作为加速气体；提高粒子的温度通常要通过显著提高加速气体的温度来实现，较高温度气流对暴露于空气中已沉积涂层的加热会导致易氧化金属涂层表面出现氧化现象，严重影响粒子间结合的质量。另外，较高的粒子温度，对于一些如Al、Mg、Zn等低熔点金属、合金及部分的镍基高温合金会出现喷枪堵塞现象，严重影响冷喷涂的工艺性能。因此，亟需不需要显著提高粒子速度和温度且能提高冷喷涂沉积体内粒子结合及降低孔隙率的新途径。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用，该方法无需显著提高粒子速度和沉积温度，操作简单，经该方法制备的沉积体组织致密，力学性能优异。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法，包括以下步骤：
1)取陶瓷颗粒、金属陶瓷颗粒、纯金属或合金作为喷丸颗粒；取单一成分的纯金属、合金、金属基复合材料，或者，纯金属、合金或金属间化合物中两种或两种以上的混合体作为沉积材料粉末；
2)采用冷喷涂工艺，将喷丸颗粒和沉积材料粉末混合后喷涂在基体表面，制得高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体；
其中，喷丸颗粒的体积占喷丸颗粒和沉积材料粉末总体积的20～70％。
所述喷丸颗粒的粒径为50～1000μm。
所述金属基复合材料为微米晶、纳米晶或金属玻璃。
所述沉积材料粉末的粒径为5～75μm。
采用冷喷涂工艺喷涂时，将喷丸颗粒和沉积材料粉末机械混合后的混合粉体送入喷枪中进行喷涂；或者，将喷丸颗粒和沉积材料粉末通过单独的送粉装置分别送入喷枪中进行喷涂。
冷喷涂工艺以氮气或压缩空气为加速气体。
所述喷丸颗粒为球形、近球形、多角形或不规则形状。
经本发明方法制得的高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体在制备高导电、高导热、高耐腐蚀、高耐磨损涂层或高力学性能工件中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的制备高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的方法，采用冷喷涂工艺，所使用的高速气流将引入喷枪的喷丸颗粒与沉积材料粉末同时加速与加热后碰撞基体，制备沉积体，在喷涂过程中借助与材料沉积材料同步的喷丸颗粒的撞击作用实现喷涂材料的致密化，而喷丸颗粒由于粒径显著大于沉积材料粉末粒径，所以喷丸颗粒自身不沉积或仅发生少量沉积。
经本发明方法制得的沉积体具有更加优越的导电性、导热性，更高的耐腐蚀、耐磨损和更高的力学性能，因而可以广泛应用于制备高导电、高导热、高耐腐蚀、高耐磨损涂层或高力学性能工件。
附图说明
图1为实施本发明所涉及的部分不同粒径、不同外形的不锈钢喷丸颗粒；
其中，(a)球形、155mm；(b)球形、200mm；(c)球形、250mm；(d)短柱状、270mm；
图2为采用常规方法(a)和采用本发明的原位喷丸方法(b)通过冷喷涂制备的Ti6Al4V涂层的断面结构。
图3为采用常规方法(a)和采用本发明的原位喷丸方法(b)通过冷喷涂制备的IN718镍基高温合金涂层的断面结构。
图4为采用常规方法(a)和采用本发明的原位喷丸方法(b)通过冷喷涂制备的纳米晶NiCrAl合金涂层的断面结构。
图5-1为机械合金化制备的纳米结构NiCrAl-Al2O3复合粉末；
图5-2为35-70微米的氧化铝陶瓷喷丸颗粒；
图5-3为通过氧化铝陶瓷喷丸颗粒辅助冷喷涂沉积的纳米-微米双尺度陶瓷颗粒增强NiCrAl-Al2O3复合涂层的断面结构(500微米)；
图5-4为通过氧化铝陶瓷喷丸颗粒辅助冷喷涂沉积的纳米-微米双尺度陶瓷颗粒增强NiCrAl-Al2O3复合涂层的断面结构(50微米)；
图6为采用原位喷丸方法制备的高致密度Ni/Al复合沉积体的宏观照片。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的粒子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
常规冷喷涂要通过高温(>800℃)、高压的(3-4MPa)工作气体(甚至是昂贵但加速性能更好的氦气，价格约为氮气的50倍)将喷涂粒子加热、加速到较高的温度和速度，通过高温产生的粒子软化效应及高速撞击时极高的动能实现粒子在沉积过程中的大应变量塑性变形，从而使已有空隙有效填充，实现涂层的致密化。但高温容易使金属粒子发生氧化，对于纳米结构的粉末还可能引起纳米结构的部分消失。本发明提出的方法无需采用昂贵的氦气或者高速、高压的工作气体显著提高粒子的速度和沉积温度，而是通过原位喷丸颗粒对沉积材料的撞击实现沉积粒子塑性变形的显著增加、从而显著提高沉积体的致密度。
本发明所述的原位喷丸，是指在喷涂材料沉积的同时引入喷丸颗粒而产生喷丸效应，实现沉积体的逐层致密化，在喷涂完毕后即可获得高致密度的金属/金属基复合沉积体，不需要进行后续处理。
参见图1，为部分不同粒径、不同外形的不锈钢喷丸颗粒；其中，(a)球形、155mm；(b)球形、200mm；(c)球形、250mm；(d)短柱状、270mm；
实施例1
喷涂前对基体进行表面喷砂粗化处理，选用粒度分布为10-31μm的Ti6Al4V合金粉末作为沉积材料粉末，加入平均粒径为203微米的316不锈钢喷丸颗粒，机械混合，喷丸颗粒的体积占混合粉末总体积的20～70％。采用以上混合粉末作为喷涂粉末，以氮气作为加速气体，在气体温度为550℃，气体压力为2.8MPa的喷涂条件下冷喷涂沉积涂层。喷丸颗粒为70vol％时的涂层断面结构如图2b所示，同样条件下不加入喷丸颗粒时沉积的涂层断面结构如图2a所示。对比可以发现，加入喷丸颗粒后，涂层内部孔隙大幅度降低，孔隙率统计结果表明，采用常规方法冷喷涂方法制备的Ti6Al4V涂层的孔隙率约为13.7％，加入70vol％喷丸颗粒后涂层的孔隙率可以显著降低到0.5％。
实施例2
喷涂前对基体进行表面喷砂粗化处理，选用粒度分布为10～45μm的IN718镍基高温合金粉末作为沉积材料粉末，加入粒径分布介于150-200μm的球形410马氏体不锈钢喷丸颗粒，机械混合，喷丸颗粒的体积占混合粉末总体积的20～70％。采用以上的混合粉末作为喷涂粉末，以氮气作为加速气体，在气体温度为650℃，气体压力为2.8MPa的喷涂条件下冷喷涂沉积体涂层。喷丸颗粒含量为50vol％时的涂层断面结构如图3b所示，同样条件下不加入喷丸颗粒时沉积的涂层断面结构如图3a所示。对比可以发现，加入喷丸颗粒后，涂层内部孔隙大幅度降低，涂层结构致密，涂层与基体结合得到优化。孔隙率统计结果表明，采用常规方法冷喷涂方法制备的IN718镍基高温合金涂层的孔隙率约为3.1％，加入喷丸颗粒后涂层的孔隙率可以显著降低到0.5％。保证了其具有优异的耐腐蚀性能和优异的力学性能。后续显微硬度测试结果表明，由于喷丸颗粒对沉积涂层的加工硬化效应，采用常规方法冷喷涂方法制备的IN718镍基高温合金涂层的维氏显微硬度约为420HV，加入50vol.％喷丸颗粒后涂层的硬度可提高到530HV。保证了其具有优异的耐磨损性能。
实施例3
喷涂前对基体进行表面喷砂粗化处理，选用机械合金化方法制备的粒度分布为15-45μm的纳米晶NiCrAl合金粉末作为沉积材料粉末，在喷涂粉末中混入20-50vol.％，平均粒径为180μm的410马氏体不锈钢喷丸颗粒。采用以上的混合粉末作为喷涂粉末，以氮气作为加速气体，在气体温度为600℃，气体压力为3.1MPa的喷涂条件下冷喷涂沉积体涂层。喷丸颗粒含量为50vol％时的涂层断面结构如图4b所示，同样条件下不加入喷丸颗粒时沉积的涂层断面结构如图4a所示。对比可以发现，加入喷丸颗粒后，涂层内部孔隙大幅度降低，涂层结构致密，孔隙率统计结果表明，加入50vol％喷丸颗粒后涂层的孔隙率可从3.7％降低到0.7％。透射电子显微镜表征结果及X射线衍射结果表明，喷丸颗粒的加入不会引起NiCrAl合金粉末中纳米晶粒的长大。通过原位喷丸辅助冷喷涂的方法可以获得高致密度的纳米晶金属、合金涂层或工件。
实施例4
喷涂前对基体进行表面喷砂粗化处理，选用机械合金化方法制备的以纳米尺度Al2O3颗粒强化的粒度分布为8-25μm的纳米结构NiCrAl-Al2O3复合粉末(图5-1)作为沉积材料粉末，在喷涂粉末中混入50vol.％，粒径为为35-70μm的氧化铝陶瓷喷丸颗粒(图5-2)。采用以上的混合粉末作为喷涂粉末，以氮气作为加速气体，在气体温度为600℃，气体压力为3.5MPa的喷涂条件下冷喷涂沉积体涂层。如图5-3、5-4的涂层断面结构所示，由于喷丸颗粒的撞击夯实作用，通过喷丸辅助冷喷涂可以获得结构致密的涂层。同时，如图5-4中，部分Al2O3喷丸颗粒在高速撞击过程中发生了破碎并镶嵌到纳米结构的NiCrAl-Al2O3复合涂层中，从而形成了微米、纳米双尺度增强的NiCrAl基金属陶瓷复合涂层。硬度测试结果表明，由于喷丸颗粒对纳米结构NiCrAl-Al2O3复合粉末的加工硬化效应和保留到涂层中微米尺度的Al2O3喷丸颗粒自身的强化作用，涂层的硬度可提高150-270HV。断裂韧性测试结果表明，双尺度陶瓷颗粒的引入可以使复合材料的断裂韧性大幅度提高，其断裂韧性约为相同基体分数纳米结构复合涂层的2倍。两体磨粒磨损性能测试结果表明，硬质相含量仅为50vol％的双尺度陶瓷颗粒增强复合涂层的耐磨性约为超音速火焰喷涂WC-12Co的1.7倍。
参见图6，为采用本发明的原位喷丸方法制备的高致密度Ni/Al复合沉积体的宏观照片。综上所述，本发明采用冷喷涂方法，以氮气或压缩空气为加速气体，将一定配比的喷丸颗粒通过与沉积材料粉末机械混合，以混合体作为喷涂粉末的方式引入冷喷涂枪，或者通过送粉装置向喷枪内部送入喷丸颗粒后再与喷涂沉积材料粉末混合的方式引入冷喷涂枪，经高速气流加速后碰撞基体时由喷丸颗粒引入原位喷丸效应。在喷涂过程中借助与材料沉积材料同步的喷丸颗粒的撞击原位喷丸夯实致密化作用实现喷涂沉积材料的致密化，而喷丸颗粒自身不沉积或仅发生少量沉积。
同时，在喷涂过程中喷丸颗粒不沉积或即使少量沉积不会改变沉积材料的基本属性。未沉积的喷丸颗粒可以通过特殊装置进行回收，重新使用，进一步降低生产成本。在喷涂过程中通过喷丸颗粒对沉积体的在线喷丸实现沉积体的原位致密化，不需要后续处理。
所沉积材料粉末的粒度介于5-75μm之间；所沉积的材料可以是单一的纯金属、合金、金属基复合材料或者两种以上纯金属、合金、金属间化合物的混合。所沉积的金属材料或金属基复合材料中的金属基体可以是常规的微米晶、纳米晶材料，也可以是非晶材料(金属玻璃)；
所采用的喷丸颗粒的粒径介于50-1000μm之间。喷丸颗粒的材料类型可以是纯金属、合金、硬质合金或陶瓷。喷丸颗粒可以是球形、多角形或其它不规则外形。喷丸颗粒种类可以与沉积体相同或者不同。
Claims (6)
1.一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取不锈钢或氧化铝作为喷丸颗粒；取合金或金属基复合材料作为沉积材料粉末，所述合金为Ti6Al4V合金、IN718镍基高温合金或NiCrAl合金，所述金属基复合材料为NiCrAl-Al2O3复合粉末；
2)采用冷喷涂工艺，将喷丸颗粒和沉积材料粉末混合后喷涂在基体表面，制得高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体；
喷涂工艺以氮气或压缩空气为加速气体，所述沉积材料粉末的粒径为5～75μm；
其中，喷丸颗粒的体积占喷丸颗粒和沉积材料粉末总体积的20～70％。
2.根据权利要求1所述的一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法，其特征在于，所述喷丸颗粒的粒径为50～1000μm。
3.根据权利要求1所述的一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法，其特征在于，所述金属基复合材料为微米晶、纳米晶或金属玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法，其特征在于，采用冷喷涂工艺喷涂时，将喷丸颗粒和沉积材料粉末机械混合后的混合粉体送入喷枪中进行喷涂；或者，将喷丸颗粒和沉积材料粉末通过单独的送粉装置分别送入喷枪中进行喷涂。
5.根据权利要求1所述的一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法，其特征在于，所述喷丸颗粒为球形、近球形或多角形。
6.权利要求1～5中任意一项所述的方法制得的高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体在制备导电、导热、耐腐蚀、耐磨损涂层或力学性能工件中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |