CN105132852A - 一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其包括如下步骤：(1)采用球磨法混合制备均匀的Al/Al2O3复合涂层粉体；(2)将Al/Al2O3复合涂层粉体、聚乙烯醇聚乙二醇混合溶液、甘油、液体石蜡在真空搅拌机中混炼，直到形成泥团，将泥团挤出成型形成坯体；(3)将坯体进行烧结处理，先在400～600℃保温1～3h，然后在1600～2000℃保温5～7h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料；(4)对待修复或加工的基体进行预热，控制基体温度在100～200℃之间；(5)采用火焰喷涂方法在基体上，制备复相多功能陶瓷涂层材料。采用本发明制备的复相陶瓷涂层具有良好的耐腐蚀、耐磨损以及耐高温综合性能，涂层的结合强度超过20MPa。

Description

一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法
技术领域
本发明属于金属材料的涂覆领域，具体涉及一种提高零件(钢、铝)基体耐腐蚀、耐磨损、耐高温的方法。
背景技术
针对零部件在使用中被磨损、被腐蚀的问题，采用热喷涂技术对零件使用中所存在的缺陷部位进行涂层修复(并且还可不断地进行重复修复)，可大幅度降低整个零部件的更换费用，大大节约原材料，降低成本。此外，与原来未喷涂零部件相比，修复后的零部件使用寿命可成倍提高，从而大大提高生产效率。在零件投入使用前，对其进行喷涂加工，可成倍提高零件的使用寿命，大大降低生产成本，经济效益明显提高。
Al具有良好的大气防腐蚀性能，与零件基体具有良好的物理化学相容性，通常可直接涂覆在零件表面，但纯Al材料质地软、熔点低，导致单一Al涂层的耐磨损、耐高温性能较差。Al2O3陶瓷材料具有高熔点，高硬度，在高温热障及耐磨领域具有较为广泛的应用，但单一Al2O3涂层韧性较差，在使用过程中常常因开裂导致涂层剥落而过早失效。另外，单一Al2O3涂层与常用零件(钢、铝)基体的物理化学相容性相差较大，无法直接沉积在零件的表面(常常需要添加过渡层以缓和与零件基体的相容性差的问题)。因此，考虑制备Al/Al2O3复相材料以综合Al与Al2O3的性能，达到涂层整体耐腐蚀、耐磨损、耐高温的综合性能，同时，涂层可直接涂覆在零件表面，降低界面数量，提高涂层整体的结合强度。
Al/Al2O3复合软线丝材的制备较为容易，但无法实现Al和Al2O3的均匀混合，且成分配比调节能力有限，在制备涂层的时候易造成成分的偏析，造成涂层性能低下。而Al/Al2O3复相陶瓷棒材可实现成分配比可控，混合均匀，所制备的涂层综合性能优良，沉积效率高，施工方便，具有良好的应用前景。
Al/Al2O3陶瓷棒材可直接采用火焰喷涂技术来制备涂层，该技术具有工艺简单、操作方便、涂层性能优异、适用面宽等优点，可有效克服等离子喷涂技术对设备要求高，耗气量大，使用成本高，工艺参数繁杂，操作复杂，设备便携程度低等缺陷。此外，陶瓷棒火焰喷涂是一项新近发展起来的高新技术，目前，国内外尚无关于火焰喷涂Al/Al2O3陶瓷棒材的相关研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其能够攻克Al/Al2O3复相陶瓷棒材的制备技术难点，制备出性能优良的多功能复相涂层，实现零件磨损腐蚀的修复，提高零件的使用寿命。
实现本发明目的的技术方案：一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)采用球磨法混合制备均匀的Al/Al2O3复合涂层粉体；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体包括组分如下：
Al，质量百分比为(1～95)％；
Al2O3，质量百分比为(1～95)％；
B2O3，质量百分比为(1～5)％；
SiO2，质量百分比为(0～10)％；
Si，质量百分比为(0～1)％；
(2)将步骤(1)的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡在真空搅拌机中混炼，直到形成泥团，将泥团挤出成型形成坯体；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡的配比如下：
PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液，质量百分比为(10～20)％；
甘油，质量百分比为(0.5～1.5)％；
液体石蜡，质量百分比为(0.5～1)％；
其余为Al/Al2O3复合涂层粉体；
(3)将步骤(2)所得的坯体进行烧结处理，先在400～600℃保温1～3h，然后在1600～2000℃保温5～7h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料；
(4)对待修复或加工的基体进行预热，控制基体温度在100～200℃之间；
(5)采用火焰喷涂方法在经步骤(4)处理的基体上，制备复相多功能陶瓷涂层材料，其中喷涂原材料为步骤(3)所得Al/Al2O3复相陶瓷棒。
如上所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其步骤(2)所述的PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液的浓度为10～30wt％，其中溶剂为去离子水，PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)的质量百分比为1：(1～10)。
如上所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其步骤(5)所述的火焰喷涂的具体工艺参数为：可燃气体C3H8流量为35～50L/min，压力为3～6bar，助燃气体O2流量为40～65L/min，压力为3～7bar，压缩空气流量为450～850L/min，压力为5.5～6bar，棒材送入速率为10～20cm/min，喷涂距离为60～80mm，喷涂角度为45°～60°。
如上所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其将步骤(2)所得的坯体进行烧结处理，具体工艺参数为：升温速率为3℃/min，在500℃保温2h；然后升温速率为5℃/min，在1800℃保温6h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料。
如上所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其在步骤(4)对待修复或加工的基体进行预热前，对待修复或加工的钢基体进行清洗去油污，并进行喷砂处理；然后对钢基体进行预热，控制基体温度在100～200℃之间。
如上所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其所述的基体是钢基体或铝基体。
如上所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其、所述的Al、Al2O3、SiO2、B2O3粉末，均纯度>99％，粒度为1～10μm。
本发明的效果在于：采用本发明制备的复相陶瓷涂层具有良好的耐腐蚀、耐磨损以及耐高温综合性能，涂层的结合强度超过20MPa；摩擦系数≥1.1；经过温度≥1800℃，速度≥800m/s的燃气流冲刷10s，涂层未发生破坏；自然存放于海洋大气环境中涂层可保证5年不失效。本发明Al/Al2O3复相陶瓷涂层具有良好的性能，与铝和钢零件基体热膨胀系数较为接近，能良好附着在零件基体表面。铝相具有良好的金属塑性，复相涂层在收到高速强烈冲击作用时，能保持良好的完整性而不至于发生开裂；Al2O3具有很高的熔点和硬度，不仅可提高涂层抵抗燃气流冲刷的能力，还能提高涂层耐磨损的能力。
附图说明
图1为所制备喷涂态Al/Al2O3复相陶瓷涂层表面形貌照片；
图2为所制备喷涂态Al/Al2O3复相陶瓷涂层截面形貌图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法作进一步描述。
实施例1
本发明所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其包括如下步骤：
(1)采用球磨法混合制备均匀的Al/Al2O3复合涂层粉体，球磨混料8h；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体包括组分如下：
Al，质量百分比为45％；
Al2O3，质量百分比为50％；
B2O3，质量百分比为3％；
SiO2，质量百分比为1％；
Si，质量百分比为1％；
所述的Al、Al2O3、SiO2、B2O3粉末，均纯度>99％，粒度为1～2μm。
(2)将步骤(1)的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡在真空搅拌机中混炼，直到形成泥团，将泥团挤出成型形成坯体；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡的配比如下：
PVA和PEG混合溶液，质量百分比为15％；
甘油，质量百分比为1％；
液体石蜡，质量百分比为1％；
Al/Al2O3复合涂层粉体，质量百分比为83％。
所述的PVA和PEG混合溶液的浓度为20wt％，其中溶剂为去离子水，PVA与PEG的质量百分比为1：5。
(3)将步骤(2)所得的坯体进行烧结处理，先在500℃保温2h，然后在1800℃保温6h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料；
(4)对待修复或加工的钢基体进行清洗去油污，并进行喷砂处理；然后对钢基体进行预热，控制基体温度在150℃；
(5)采用火焰喷涂方法在经步骤(4)处理的基体上，制备复相多功能陶瓷涂层材料，其中喷涂原材料为步骤(3)所得Al/Al2O3复相陶瓷棒。
所述的火焰喷涂的具体工艺参数为：可燃气体C3H8流量为40L/min，压力为5bar，助燃气体O2流量为50L/min，压力为5bar，压缩空气流量为700L/min，压力为5.5bar，棒材送入速率为15cm/min，喷涂距离为70mm，喷涂角度为50°。所述的基体是钢基体，试样尺寸为200×100×10mm3。
图1为所制备喷涂态Al/Al2O3复相陶瓷涂层表面形貌照片；图2为所制备喷涂态Al/Al2O3复相陶瓷涂层截面形貌图。
本发明所制备耐腐蚀、耐磨损、抗高温多功能涂层与基体之间的结合力高，工艺易操作、成本低、沉积效率高，具有较强的实用性，可应用于海洋环境的舰船表面，易磨损零部件表面，耐燃气冲刷的部件；本发明使用于钢基材，铝基体以及其他有耐腐蚀、磨损、高温的合金基体。
实施例2
本发明所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其包括如下步骤：
(1)采用球磨法混合制备均匀的Al/Al2O3复合涂层粉体，球磨混料8h；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体包括组分如下：
Al，质量百分比为1％；
Al2O3，质量百分比为95％；
B2O3，质量百分比为4％；
所述的Al、Al2O3、B2O3粉末，均纯度>99％，粒度为4～5μm。
(2)将步骤(1)的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡在真空搅拌机中混炼，直到形成泥团，将泥团挤出成型形成坯体；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡的配比如下：
PVA和PEG混合溶液，质量百分比为20％；
甘油，质量百分比为1.5％；
液体石蜡，质量百分比为1％；
其余为Al/Al2O3复合涂层粉体。
所述的PVA和PEG混合溶液的浓度为10wt％，其中溶剂为去离子水，PVA与PEG的质量百分比为1：1。
(3)将步骤(2)所得的坯体进行烧结处理，先在400℃保温3h，然后在2000℃保温5h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料；
(4)对待修复或加工的钢基体进行清洗去油污，并进行喷砂处理；然后对钢基体进行预热，控制基体温度在100℃；
(5)采用火焰喷涂方法在经步骤(4)处理的基体上，制备复相多功能陶瓷涂层材料，其中喷涂原材料为步骤(3)所得Al/Al2O3复相陶瓷棒。
所述的火焰喷涂的具体工艺参数为：可燃气体C3H8流量为35L/min，压力为3bar，助燃气体O2流量为40L/min，压力为3bar，压缩空气流量为450L/min，压力为5.5bar，棒材送入速率为10cm/min，喷涂距离为60mm，喷涂角度为45°。
实施例3
本发明所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其包括如下步骤：
(1)采用球磨法混合制备均匀的Al/Al2O3复合涂层粉体，球磨混料8h；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体包括组分如下：
Al，质量百分比为95％；
Al2O3，质量百分比为1％；
B2O3，质量百分比为2％；
SiO2，质量百分比为1.5％；
Si，质量百分比为0.5％；
(2)将步骤(1)的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡在真空搅拌机中混炼，直到形成泥团，将泥团挤出成型形成坯体；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡的配比如下：
PVA和PEG混合溶液，质量百分比为10％；
甘油，质量百分比为0.5％；
液体石蜡，质量百分比为0.5％；
其余为Al/Al2O3复合涂层粉体。
所述的PVA和PEG混合溶液的浓度为30wt％，其中溶剂为去离子水，PVA与PEG的质量百分比为1：10。
(3)将步骤(2)所得的坯体进行烧结处理，先在600℃保温1h，然后在1600℃保温7h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料；
(4)对待修复或加工的基体进行预热，控制基体温度在200℃；
(5)采用火焰喷涂方法在经步骤(4)处理的基体上，制备复相多功能陶瓷涂层材料，其中喷涂原材料为步骤(3)所得Al/Al2O3复相陶瓷棒。
所述的火焰喷涂的具体工艺参数为：可燃气体C3H8流量为50L/min，压力为6bar，助燃气体O2流量为65L/min，压力为7bar，压缩空气流量为850L/min，压力为6bar，棒材送入速率为20cm/min，喷涂距离为80mm，喷涂角度为60°。
所述的基体是铝基体，试样尺寸为200×100×10mm3。
实施例4
本发明所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其包括如下步骤：
(1)采用球磨法混合制备均匀的Al/Al2O3复合涂层粉体，球磨混料8h；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体包括组分如下：
Al，质量百分比为42％；
Al2O3，质量百分比为42％；
B2O3，质量百分比为5％；
SiO2，质量百分比为10％；
Si，质量百分比为1％；
(2)将步骤(1)的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡在真空搅拌机中混炼，直到形成泥团，将泥团挤出成型形成坯体；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体、PVA(聚乙烯醇)和PEG(聚乙二醇)混合溶液、甘油、液体石蜡的配比如下：
PVA和PEG混合溶液，质量百分比为15％；
甘油，质量百分比为1％；
液体石蜡，质量百分比为0.5％；
其余为Al/Al2O3复合涂层粉体。
所述的PVA和PEG混合溶液的浓度为25wt％，其中溶剂为去离子水，PVA与PEG的质量百分比为1：7。
(3)将步骤(2)所得的坯体进行烧结处理，先在500℃保温2h，然后在1700℃保温6h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料；
(4)对待修复或加工的基体进行预热，控制基体温度在170℃；
(5)采用火焰喷涂方法在经步骤(4)处理的基体上，制备复相多功能陶瓷涂层材料，其中喷涂原材料为步骤(3)所得Al/Al2O3复相陶瓷棒。
所述的火焰喷涂的具体工艺参数为：可燃气体C3H8流量为40L/min，压力为4bar，助燃气体O2流量为50L/min，压力为5bar，压缩空气流量为650L/min，压力为6bar，棒材送入速率为15cm/min，喷涂距离为70mm，喷涂角度为55°。

Claims (7)

1.一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)采用球磨法混合制备均匀的Al/Al2O3复合涂层粉体；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体包括组分如下：
Al，质量百分比为(1～95)％；
Al2O3，质量百分比为(1～95)％；
B2O3，质量百分比为(1～5)％；
SiO2，质量百分比为(0～10)％；
Si，质量百分比为(0～1)％；
(2)将步骤(1)的Al/Al2O3复合涂层粉体、聚乙烯醇和聚乙二醇混合溶液、甘油、液体石蜡在真空搅拌机中混炼，直到形成泥团，将泥团挤出成型形成坯体；
所述的Al/Al2O3复合涂层粉体、聚乙烯醇和聚乙二醇混合溶液、甘油、液体石蜡的配比如下：
聚乙烯醇和聚乙二醇混合溶液，质量百分比为(10～20)％；
甘油，质量百分比为(0.5～1.5)％；
液体石蜡，质量百分比为(0.5～1)％；
其余为Al/Al2O3复合涂层粉体；
(3)将步骤(2)所得的坯体进行烧结处理，先在400～600℃保温1～3h，然后在1600～2000℃保温5～7h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料；
(4)对待修复或加工的基体进行预热，控制基体温度在100～200℃之间；
(5)采用火焰喷涂方法在经步骤(4)处理的基体上，制备复相多功能陶瓷涂层材料，其中喷涂原材料为步骤(3)所得Al/Al2O3复相陶瓷棒。
2.根据权利要求1所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其特征在于：步骤(2)所述的聚乙烯醇和聚乙二醇混合溶液的浓度为10～30wt％，其中溶剂为去离子水，聚乙烯醇和聚乙二醇的质量百分比为1：(1～10)。
3.根据权利要求1所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其特征在于：步骤(5)所述的火焰喷涂的具体工艺参数为：可燃气体C3H8流量为35～50L/min，压力为3～6bar，助燃气体O2流量为40～65L/min，压力为3～7bar，压缩空气流量为450～850L/min，压力为5.5～6bar，棒材送入速率为10～20cm/min，喷涂距离为60～80mm，喷涂角度为45°～60°。
4.根据权利要求1所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其特征在于：将步骤(3)所得的坯体进行烧结处理，具体工艺参数为：升温速率为3℃/min，在500℃保温2h；然后升温速率为5℃/min，在1800℃保温6h，最终形成Al/Al2O3复相陶瓷棒作为喷涂原材料。
5.根据权利要求1所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其特征在于：在步骤(4)对待修复或加工的基体进行预热前，对待修复或加工的钢基体进行清洗去油污，并进行喷砂处理；然后对钢基体进行预热，控制基体温度在100～200℃之间。
6.根据权利要求1所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其特征在于：所述的基体是钢基体或铝基体。
7.根据权利要求1所述的一种火焰喷涂制备Al/Al2O3多功能涂层的方法，其特征在于：所述的Al、Al2O3、SiO2、B2O3粉末，均纯度>99％，粒度为1～10μm。
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