CN104962776A - 一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层及其制备方法，该高铝青铜的厚度可达2.5～4mm，是采用低温超音速喷涂技术在铜合金基体表面喷涂气雾化高铝青铜粉末制得，低温超音速喷涂技术的焰流温度只有600～900℃，它是以丙烷为主燃气、压缩空气为助燃气、氢气为还原气体、氮气为送粉载气；喷涂的工艺参数为：空气压力为90PSI，丙烷压力为68～80PSI，氢气流量为40L/min，氮气流量为40L/min，喷涂距离为140mm。本发明制得的高铝青铜涂层氧化程度较低、热应力较小、涂层厚度较大，能够修复装备铜合金零部件由于严重磨损而引起的大尺度体积损伤。

Description

一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于超音速喷涂技术领域，具体涉及一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层及其制备方法。

背景技术

铝青铜是指以铝为主要添加元素的铜基合金，其含铝量一般不超过11.5%，而高铝青铜则是指含铝量在11.5%以上、15%以下的铝青铜。

铝青铜具有高强、耐蚀、耐磨、冲击时不产生火花等优点，可应用于舰船螺旋桨、制动闸轮等易蚀易磨零部件。但由于铝青铜自身的物理化学特性，使其在加工成型过程中存在一些技术瓶颈，一方面铝青铜凝固范围狭小易生成发达的柱状晶和集中缩孔，另一方面在565℃，当冷却速率较低时发生β→α+γ₂共析转变，γ₂相含量增多使合金严重变脆且易发生选择性腐蚀，因此极大地限制了其应用范围。而采用喷涂的方法制备高铝青铜涂层，则可克服上述加工成型带来的困难。

目前高铝青铜涂层的制备方法主要有电弧喷涂（焰流温度在10000℃以上）、超音速等离子喷涂（焰流温度在25000℃以上）、超音速氧气火焰（HVOF）喷涂（焰流温度为3000～4000℃）、超音速空气火焰（HVAF）喷涂（焰流温度为1000～1900℃）等高温喷涂技术，所制备的涂层具有良好的耐磨耐蚀性能，但由于喷涂温度高，所制备的涂层存在氧化和相变的问题，而且由于涂层中热应力较大，从而无法制备超厚涂层（厚度在2mm以上），进而不能修复装备铜合金零部件由于严重磨损而引起的大尺度体积损伤。

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有的喷涂技术所制备的高铝青铜涂层存在氧化程度较高、热应力较大、涂层厚度较小等问题，提供一种氧化程度较低、热应力较小、涂层厚度较大的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层。

本发明的目的之二在于提供上述用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法。

实现本发明目的之一的技术方案是：一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层，所述高铝青铜涂层的化学成分如下：Al：13.30wt%、Fe：4.93wt%、Mn：1.62wt%、Zn：0.33wt%、Ni：0.31wt%、Co：5.49wt%、Cu余量。所述高铝青铜涂层的厚度为2.5～4mm。

所述高铝青铜涂层的磨损体积为8×10^-6～12×10^-6μm³（载荷10N、磨损时间15min、位移幅值D为4mm、往复频率5Hz的条件下）；结合强度为20～50MPa；显微硬度为200～300HV；孔隙率为0.25～3.25vt%；氧元素含量为0.87～1.07wt%。

实现本发明目的之二的技术方案是：一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法，采用低温超音速喷涂技术在铜合金基体表面喷涂高铝青铜粉末制备高铝青铜涂层，所述低温超音速喷涂技术的焰流温度为600～900℃，喷涂颗粒温度为300～500℃；所述高铝青铜粉末的化学成分如下：Al：13.30wt%、Fe：4.93wt%、Mn：1.62wt%、Zn：0.33wt%、Ni：0.31wt%、Co：5.49wt%、Cu余量；制得的高铝青铜涂层的厚度为2.5～4mm。

当涂层厚度超过4mm时，涂层性能会恶化，这极有可能是因为厚度增大会使得残余应力增大，而过大的残余应力对材料硬度、断裂和结合强度等力学性能产生很大的影响，会使涂层发生开裂和脱落等失效现象。而涂层厚度小于2.5mm时，对其性能测试时发现无法满足工业需要，也即不能修复装备铜合金零部件由于严重磨损而引起的大尺度体积损伤。

本发明的低温超音速喷涂技术是以丙烷为主燃气、压缩空气为助燃气、氢气为还原气体、氮气为送粉载气；喷涂的工艺参数为：空气压力为90PSI，丙烷压力为68～80PSI，氢气流量为40L/min，氮气流量为40L/min，喷涂距离为140mm。

当丙烷压力低于68PSI时，喷涂颗粒温度会降低，不利于颗粒塑性的提高，会导致涂层结合强度低、孔隙率高、耐磨性能差等；而当丙烷压力高于80PSI时，喷涂颗粒温度会升高，使得涂层产生相变和氧化等问题。丙烷压力以76PSI最佳。

本发明采用的高铝青铜粉末为气雾化高铝青铜粉末，其粒径为15μm～45μm，使用前先在120℃烘箱中烘干3h。该气雾化高铝青铜粉末的冷却速率最高可达10⁶K/s，可抑制γ₂相的生成。

本发明的低温超音速喷涂技术在喷涂过程中需要严格控制已沉积涂层的最高温度≤205℃，具体控制方法如下：用数字表面温度计（AR892实时非接触红外测温仪）实时测量已沉积涂层的温度，当测量到已沉积涂层的温度达到200±2℃时，立即停止喷涂，待已沉积涂层的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。这是因为申请人发现一旦已沉积涂层的温度达到205℃以上，再继续喷涂的话，涂层的温度会很快上升到565℃以上，进而引起相变，导致涂层软化，同时，已沉积涂层的温度达到205℃以上时也容易引起氧化。

本发明具有的积极效果：（1）本发明采用新型的喷涂技术，即低温超音速喷涂技术，该喷涂技术以燃烧温度相对较低的丙烷/空气为热源燃料组合，产生超音速焰流携带喷涂颗粒与基体碰撞，诱发颗粒产生高塑性畸变并与基体协调变形，进而沉积形成涂层。通过调整丙烷压力，可以将焰流温度稳定控制在600～900℃的范围内，明显低于现有的热喷涂技术。（2）本发明的低温超音速喷涂技术还以氢气为还原气体，使其在高温下夺取金属氧化物中的氧，进而降低高铝青铜颗粒的氧化程度。（3）本发明采用冷却速率极高的气雾化方法制备的高铝青铜粉末作为喷涂粉末，将该粉末的优良特性原态移植到高铝青铜涂层中，既可以使涂层较原始粉末的结构和性能基本不变或者向有益的方向演化，又能够抑制γ₂相的生成，为最终得到性能优异的高铝青铜涂层奠定了较好的基础。（4）尽管本发明的低温超音速喷涂技术大大降低了焰流温度，但是，在喷涂过程中仍然存在部分涂层氧化或者软化的问题，为此，本发明经过大量实验发现，通过对已沉积涂层的最高温度进行控制，可以使喷涂颗粒的温度始终低于高铝青铜材料的相变温度（565℃以下），避免了气雾化高铝青铜粉末的氧化和相变，进而避免高铝青铜材料中β→α+γ₂共析转变的发生。（5）本发明的方法最终可以在铜合金基体上制备出大厚度（2.5～4mm）的高铝青铜涂层，该涂层具有较好的承受压应力，同时兼具孔隙率低、基本不发生氧化等特点，这种大厚度的高铝青铜涂层不仅能够修复因体积损伤而失效的铜合金零部件，而且还能够提高修复后的零部件的耐磨性能。

附图说明

图1为试验例1测试的铜合金基体及各实施例所制备的高铝青铜涂层的磨损体积结果示意图。

图2为试验例2测试的各实施例所制备的高铝青铜涂层的结合强度结果示意图。

图3为试验例3测试的铜合金基体及各实施例所制备的高铝青铜涂层的表面/截面显微硬度结果示意图。

图4为试验例4测试的气雾化高铝青铜粉末及各实施例所制备的高铝青铜涂层的XRD图谱结果示意图。

图5为试验例5测试的各实施例所制备的高铝青铜涂层的孔隙率与氧元素含量变化曲线结果示意图。

图6为实施例3所制备的高铝青铜涂层的截面SEM图。

图7为实施例1所制备的高铝青铜涂层示意图。

具体实施方式

（实施例1）

本实施例的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层见图7，其厚度为3mm。

本实施例的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法如下：

①采用粒径为15μm～45μm的气雾化高铝青铜粉末作为喷涂粉末，并先置于120℃烘箱中烘干3h；待用。

本实施例采用的气雾化高铝青铜粉末的化学成分为如下：Al：13.30wt%、Fe：4.93wt%、Mn：1.62wt%、Zn：0.33wt%、Ni：0.31wt%、Co：5.49wt%、Cu余量。

②对铜合金基体表面进行除油、除锈以及喷砂粗化预处理，并用丙酮清洗基体表面。

本实施例采用的铜合金基体材料为H62黄铜，尺寸为20mm×20mm×10mm。

喷砂粗化工艺为：砂料为棕刚玉，粒度为1mm，压缩空气压力为0.7PSI，喷砂角度为90°，距离为100mm。

将预处理后的铜合金基体安装在转台上并随着转台圆周转动，喷枪喷嘴轴线平行转台的中心线，喷枪以一定的速度垂直于铜合金基体作上下周期运动，喷涂前对铜合金基体进行预热，保持铜合金基体最高温度在100～150℃范围内。

③采用低温超音速喷涂技术在铜合金基体表面喷涂步骤①的气雾化高铝青铜粉末制备高铝青铜涂层，喷涂工艺参数为：空气压力为94PSI，丙烷压力为68PSI，氢气流量为40L/min，氮气流量为40L/min，喷涂距离为150mm。该喷涂工艺参数产生的焰流温度为630℃，喷涂颗粒温度为350℃。

在喷涂过程中控制已沉积涂层的最高温度≤205℃，具体控制方法如下：用数字表面温度计（AR892实时非接触红外测温仪）实时测量已沉积涂层的温度，当测量到已沉积涂层的温度达到200±2℃时立即停止喷涂，待已沉积涂层的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。

（实施例2～实施例4）

各实施例与实施例1基本相同，不同之处在于丙烷压力、焰流温度以及喷涂颗粒温度，具体见表1。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					丙烷压力	68PSI	72PSI	76PSI	80PSI
焰流温度	630℃	700℃	780℃	850℃
					喷涂颗粒温度	350℃	390℃	430℃	480℃

（试验例1）

对铜合金基体及各实施例所制备的高铝青铜涂层进行耐磨性能测试。

采用CETR UMT-3往复式摩擦磨损试验机测试室温载荷为10N摩擦条件下，测试铜合金基体及各实施例所制备的高铝青铜涂层的耐磨性能。

磨损实验采用球-面接触方式，其中上试样为直径4mm的GCr15钢球，下试样为铜合金基体及各实施例所制备的高铝青铜涂层，试验参数为：磨损时间15min，位移幅值D为4mm，往复频率选用5Hz。

使用VK-9700型激光三维形貌显微镜测定磨损体积，以此评价涂层的耐磨性能，结果见图1。

由图1可以看出：各实施例所制备的高铝青铜涂层的耐磨性能较铜合金基体均显著提高，其中实施例3所制备的高铝青铜涂层耐磨性能最佳。

（试验例2）

对各实施例所制备的高铝青铜涂层进行结合强度测试。

依照GB/T8642-2002标准所述进行，粘接剂选用上海市合成树脂研究所所制E-7型高温结构胶，胶体配比依照说明书提供，并经100℃固化3h后进行结合强度测试，结果见图2。

由图2可以看出：实施例3所制备的高铝青铜涂层的结合强度最高，达到46.5MPa，能够满足工业需要。

（试验例3）

对铜合金基体及各实施例所制备的高铝青铜涂层进行显微硬度测试。

采用HXD-1000型显微硬度计，载荷100g，加载时间15s，分别在铜合金基体及各实施例所制备的高铝青铜涂层的表面和截面测量5个点的显微硬度值并取平均值，结果见图3。

由图3中可以看出：各实施例所制备的高铝青铜涂层显微硬度明显大于铜合金基体的显微硬度，尤其是实施例3所制备的高铝青铜涂层。

（试验例4）

对气雾化高铝青铜粉末以及各实施例所制备的高铝青铜涂层进行X射线衍射实验，采用D8A 衍射仪，测试条件为：Cu-kα靶，光管电压40kV，电流30mA，扫描模式为连续扫描，扫描步长0.02°，时间步长0.6s，结果见图4。

由图4可以看出：各实施例所制备的高铝青铜涂层与气雾化高铝青铜粉末的物相无明显变化，涂层很好的保持了气雾化高铝青铜粉末优良特性。

（试验例5）

对各实施例所制备的高铝青铜涂层进行氧化程度和孔隙率测试。

采用Quanta 200型环境扫描电子显微镜附带的能谱仪对各实施例所制备的高铝青铜涂层微区化学元素进行分析，以测得的氧元素含量来评价涂层的氧化程度，结果见图5。

采用Image J图像处理软件对各实施例所制备的高铝青铜涂层截面的SEM图片进行孔隙率测定，以此评价涂层的致密度，结果见图5。

由图5可以看出：各实施例所制备的高铝青铜涂层的孔隙率与氧元素含量均比较低，其中，实施例3所制备的高铝青铜涂层的孔隙率与氧元素含量达到整体最优。

将实施例3所制备的高铝青铜涂层截面取5张SEM照片进行计算，并取其平均值，结果见图6。

由图6可以看出：实施例3所制备的高铝青铜涂层与铜合金基体结合良好，涂层致密。

Claims (8)

1.一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层，其特征在于：所述高铝青铜涂层的化学成分如下：Al：13.30wt%、Fe：4.93wt%、Mn：1.62wt%、Zn：0.33wt%、Ni：0.31wt%、Co：5.49wt%、Cu余量；所述高铝青铜涂层的厚度为2.5～4mm。

2.根据权利要求1所述的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层，其特征在于：所述高铝青铜涂层的磨损体积为8×10^-6～12×10^-6μm³；结合强度为20～50MPa；显微硬度为200～300HV；孔隙率为0.25～3.25vt%；氧元素含量为0.87～1.07wt%。

3.一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法，其特征在于：采用低温超音速喷涂技术在铜合金基体表面喷涂高铝青铜粉末制备高铝青铜涂层，所述低温超音速喷涂技术的焰流温度为600～900℃，喷涂颗粒温度为300～500℃；所述高铝青铜粉末的化学成分如下：Al：13.30wt%、Fe：4.93wt%、Mn：1.62wt%、Zn：0.33wt%、Ni：0.31wt%、Co：5.49wt%、Cu余量；制得的高铝青铜涂层的厚度为2.5～4mm。

4.根据权利要求3所述的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法，其特征在于：所述的低温超音速喷涂技术是以丙烷为主燃气、压缩空气为助燃气、氢气为还原气体、氮气为送粉载气；喷涂的工艺参数为：空气压力为90PSI，丙烷压力为68～80PSI，氢气流量为40L/min，氮气流量为40L/min，喷涂距离为140mm。

5.根据权利要求4所述的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法，其特征在于：丙烷压力为76PSI。

6.根据权利要求3至5之一所述的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法，其特征在于：所述的高铝青铜粉末为气雾化高铝青铜粉末，其粒径为15μm～45μm，使用前先在120℃烘箱中烘干3h。

7.根据权利要求6所述的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法，其特征在于：在喷涂过程中采用数字表面温度计实时测量已沉积涂层的温度，当测量到已沉积涂层的温度达到200±2℃时立即停止喷涂，待已沉积涂层的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。

8.根据权利要求3至5之一所述的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法，其特征在于：在喷涂过程中采用数字表面温度计实时测量已沉积涂层的温度，当测量到已沉积涂层的温度达到200±2℃时立即停止喷涂，待已沉积涂层的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。