CN105296912A - 一种电弧喷涂丝材及其制备、喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧喷涂丝材及其制备、喷涂方法。该涂层采用电弧喷涂工艺制备，喷涂材料为铝基陶瓷粉芯丝材，喷涂基体材料为钢材或铝材。其中喷涂材料为铝皮包覆陶瓷粉芯结构，丝材外径为Φ2mm，陶瓷粉芯由微米级Al₂O₃、纳米级Al₂O₃、微米级SiO₂和纳米级SiO₂混合而成，铝带通过成型模具弯折成“U型”，均匀填充陶瓷粉芯后经模具使铝带紧密包覆粉芯，并拉拔为外径Φ2mm的喷涂丝材，陶瓷粉芯占丝材的质量含量为20％～28％。测试结果满足涂层静摩擦系数＞0.9，结合强度≥20MPa，涂层经360h盐雾腐蚀试验无鼓泡失效，能够较好的满足应用要求。

Description

一种电弧喷涂丝材及其制备、喷涂方法

技术领域

本发明涉及一种电弧喷涂丝材及其制备、喷涂方法，属于环境防护领域。

背景技术

新一代运载火箭发射平台在设计研制时，需在表面涂覆防护涂层，以防止火箭起飞过程中高温高速的燃气流对发射平台冲刷和烧蚀引起设备损坏。同时，与以往传统发射平台相比，新一代运载火箭发射平台服役在海南，其在储存、运输、使用过程中均受到海洋性气候影响，产品的防腐蚀性能受到很大考验。

国内现有的火箭发射平台涂层体系主要采用703所研制的环氧有机涂料或大连化物所研制的无机混凝土结构材料，这两种材料体系耐高温冲刷性相对一般，涂层在热流冲刷后厚度减薄、孔隙增多，局部损伤严重，大幅度降低了耐高温、防腐蚀性能。因此，每一次发射使用后均需花费大量人工、周期对破损区域进行重新维护，特别是转换装置、服务塔等大面积部位，维护的成本和周期均难以满足大强度、高频次的发射需求，严重影响了产品使用进度。同时，由于发射平台处于海南的海洋湿热气候下，原有涂层方案不具备耐候性能，长期存放或使用将会出现涂层脱落、发霉等腐蚀失效问题，对发射平台造成破坏性影响，大大缩短其防护效果和使用寿命。

因此，面对运载火箭活动发射平台防护涂层耐高温冲刷、防腐蚀性能的要求，应通过对涂层材料体系的设计优化及一体化涂层制备技术的研究，改进涂层多种功能匹配性能，解决涂层功能单一、使用寿命低、可靠性差等问题，需提升其功能的全面性和使用寿命，以满足使用需求。

申请号为201510009704X的发明专利公开了一种电弧喷涂丝材制备方法，采用粉芯材料采用的Al₂O₃粉料添加SiC的粉料制备丝材，喷涂获得的涂层具有耐高温、耐磨和防滑的性能，然而表面粗糙度较高，Ra值在60～200μm，耐腐蚀性较差较低，丝材的外径为3mm，涂层金属相和陶瓷相分布均匀性较差，适用于船甲板、跑道等位置，而对于例如船舷、台阶、防护栏，发射平台外围护栏、走道等耐高温性和耐磨性要求较低，但耐腐蚀性和耐候寿命要求较高，且需要涂装的部位，该丝材并不满足要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服海洋性环境下火箭发射平台表面防护需求的不足，提出一种兼具防热、防腐、防滑等功能的新型涂层材料及其制备技术方法，该技术所制备的涂层材料组织结构致密均匀、结合强度高、涂层表面粗糙度可控，能够有效提高金属基体表面的综合性能，满足新型发射平台表面防护的需求。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种电弧喷涂铝基陶瓷丝材的制备方法，通过以下步骤实现：

步骤一：将铝带剪裁为指定宽度，将铝带沿宽度方向两侧向上弯折，形成上端开口的中空结构，作为电弧喷涂丝材的表皮；

步骤二：分别选取微米级Al₂O₃粉料、纳米级Al₂O₃粉料、微米级SiO₂粉料和纳米级SiO₂粉料，并混合均匀，制备出粉芯材料；

步骤三：将步骤二的粉芯材料均匀注入步骤一的中空结构内部，将中空结构上端开口封闭，对将封闭后的铝带进行挤压使铝带紧密包覆粉芯，然后将包覆粉芯的铝带拉拔为电弧喷涂丝材。

优选的，所述微米级Al₂O₃粉料的粒径范围为1～200μm，所述纳米级Al₂O₃粉料的粒径范围为500～990nm，所述微米级SiO₂粉料的粒径范围为1～50μm，所述纳米级SiO₂粉料的粒径范围为500～900nm。

优选的，所述粉芯材料中微米级Al₂O₃粉料的质量含量为97％～98％，所述纳米级Al₂O₃粉料的质量含量为1～1.5％，所述微米级SiO₂粉料的质量含量为0.5～1％，所述纳米级SiO₂粉料的质量含量为0.1～0.5％。

优选的，所述指定宽度为8～12mm、铝带厚度为1～1.5mm；拉拔后喷涂丝材的外径为所述粉芯占所述丝材的质量含量的20％～28％。

提供一种电弧喷涂铝基陶瓷丝材，所述丝材包括铝制外壳以及粉芯；所述粉芯包括微米级Al₂O₃、纳米级Al₂O₃、微米级SiO₂以及纳米级的SiO₂粉料。

优选的，所述粉芯占所述丝材的质量含量的20％～28％。

优选的，所述微米级Al₂O₃粉料的粒径范围为1～200μm，所述纳米级Al₂O₃粉料的粒径范围为500～990nm，所述微米级SiO₂粉料的粒径范围为1～50μm，所述纳米级SiO₂粉料的粒径范围为500～900nm。

优选的，所述粉芯材料中微米级Al₂O₃粉料的质量含量为97％～98％，所述纳米级Al₂O₃粉料的质量含量为1～1.5％，所述微米级SiO₂粉料的质量含量为0.5～1％，所述纳米级SiO₂粉料的质量含量为0.1～0.5％。

同时提供一种采用所述电弧喷涂铝基陶瓷丝材进行喷涂的喷涂方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将所述丝材装入电弧喷涂设备送丝机构当中待喷涂，喷涂基体为钢基体或铝基体；

(2)对基体喷涂部位吹砂处理，吹砂选用24～60目棕刚玉，压缩空气压力0.3～0.6MPa；

(3)电弧喷涂工艺参数为工作电压30～35V，工作电流150～299A，喷距120～250mm，空气压力0.2～0.7MPa，涂层厚度0.2～1.2mm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明粉芯材料选择微米级Al₂O₃粉料和纳米级Al₂O₃粉料，增加涂层中陶瓷相的均匀分布性，添加微量的微米级和纳米级的SiO₂粉料，填充陶瓷相和金属相的孔隙，同时增强涂层的耐高温性和热反射性；喷涂后试样进行静摩擦系数、涂层结合强度性能和耐盐雾腐蚀性能测试，测试结果满足涂层静摩擦系数＞0.9，结合强度≥20MPa，涂层经360h盐雾腐蚀试验无鼓泡失效，能够较好的满足应用要求。

(2)本发明添加微量的纳米级SiO₂粉料，和微米级的SiO₂粉料相互补充，可充分填充涂层各相晶界间的微裂纹，从微观层面强化了材料本身的机械性能和耐腐蚀性能，同时提高了涂层的热反率，保证了涂层在长效防腐前提下的热反射性能，此外，SiO₂高温下具有玻璃相流体特性，使涂层具有了高温自愈合性，提高了涂层整体使用寿命。

(3)本发明采用铝带包覆，率及材料本身具有耐腐蚀的作用，同时增加了涂层的可塑性，实现铝基陶瓷复合涂层的电弧喷涂，相比于采用粉体喷涂材料的等离子喷涂工艺，电弧喷涂工艺制备的铝基陶瓷复合涂层具有更好的涂层均匀性，此外，电弧喷涂工艺操作简便，易于外场或现场施工，喷涂效率更高，涂层制备成本也更低。

(4)喷涂后的涂层组织结构致密均匀、结合强度高、表面粗糙度可控，能够有效提高金属基体表面的综合性能，具备防热、防腐、防滑等功能。

(5)采用本发明的丝材喷涂获得的涂层表面粗糙度Ra值在10～60μm，可满足不同表面涂装的需求。

(6)本发明制备的铝基陶瓷粉芯丝材外径为Φ2mm，这使喷涂后的涂层金属相含量增加，提高了涂层的耐腐蚀性能，此外，丝材较细的外径更加有利于量化控制涂层的表面粗糙度，其同时具备的多种优良性能使该种涂层可作为其他复合涂层材料的底层，针对不同的应用工况需求制备出不同功能的复合涂层材料，应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备的Φ2mm铝基陶瓷粉芯丝材截面的扫描电镜照片；

图2为本发明实施例1中电弧喷涂铝基陶瓷粉芯丝材所制备涂层截面的扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明提供了一种铝基陶瓷电弧喷涂丝材的制备方法及其喷涂方法，通过以下步骤实现：

步骤一：喷涂丝材表皮选用牌号5052的铝带，其中铝带宽度为8-12mm、厚度为1-1.5mm的铝带，将铝带剪裁为适当尺寸，并经成型模具弯折为“U型”结构，作为电弧喷涂丝材的表皮；

步骤二：分别选取质量含量为97％～98％、粒径尺寸为1～200μm的Al₂O₃粉料，质量含量为1～1.5％、粒径尺寸为500～990nm的Al₂O₃粉料以及质量含量为0.5～1％、粒径尺寸为1～50μm的SiO₂粉末，质量含量为0～0.5％、粒径尺寸为500～900nm的SiO₂粉料，并混合均匀，制备出粉芯材料；

步骤三：将步骤二的粉芯材料均匀注入步骤一的“U型”铝带中，使铝带紧密包覆粉芯，然后将包覆粉芯的铝带拉拔为的喷涂丝材，拉拔后喷涂丝材的外径为2mm±0.1mm；

进行喷涂前，还需要进行步骤四：即采用缠绕机构将制备的喷涂丝材缠绕成捆，每一捆电弧喷涂丝材的重量为5-10Kg。

通过上述所述方法制备的电弧喷涂丝材，包括铝制外壳以及粉芯，所述铝制外壳紧密包裹粉芯；所述粉芯包括微米级粒径的Al₂O₃粉料、纳米级的Al₂O₃粉料以及微米级粒径SiO₂的粉料，其中微米级粒径的Al₂O₃粉料在粉芯中的质量含量为97％～98％，其粒径尺寸范围是1～200μm；纳米级的Al₂O₃粉料在粉芯中的质量含量为1～1.5％，其粒径尺寸范围是500～990nm；微米级粒径SiO₂的粉料在粉芯中的质量含量为0.5～1％，其粒径尺寸范围是1～50μm；纳米级SiO₂粉料的质量含量为0～0.5％，其粒径尺寸范围是500～900nm；所述粉芯占电弧喷涂丝材的质量含量为20％～28％。

本发明的电弧喷涂丝材制备完成后，可进行电弧喷涂，喷涂方法如下：

步骤一：将本发明的电弧喷涂丝材装入电弧喷涂设备送丝机构当中待喷涂，喷涂基体选用铝基体或钢基体，基体规格100×100×10mm，喷涂前对基体喷涂部位吹砂处理，吹砂选用24-40目棕刚玉，压缩空气压力0.3-0.5MPa；

步骤二：选用步骤一设备、基体与喷涂丝材进行电弧喷涂，制备出防热耐腐蚀复合涂层，涂层厚度0.2～1.2mm，电弧喷涂工艺参数为工作电压30-35V，工作电流150-299A，喷距120-250mm，空气压力0.2-0.7MPa；

步骤三：对步骤二喷涂后试样进行静摩擦系数、涂层结合强度性能和耐盐雾腐蚀性能测试，要求测试结果满足涂层静摩擦系数＞0.9，结合强度≥20MPa，涂层经360h盐雾腐蚀试验无鼓泡失效。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

本实施例的铝基陶瓷粉芯丝材及电弧喷涂工艺由以下特征步骤组成：

1)粉芯配比：将粒度为1～200μm的Al₂O₃粉料、粒度500～990纳米的Al₂O₃粉料、粒度1～50μmSiO₂粉料和粒度500～900纳米的SiO₂粉料按97:1.5:1：0.5的质量比混合，后将粉料倒入混料机中充分搅拌；

2)喷涂丝材制备：选用宽度12mm牌号5052的铝带作为喷涂丝材表皮，经弯折后填充步骤1)所得到的粉芯并包覆拉拔成外径约2mm的喷涂丝材，其中粉芯填充比例20.3％，喷涂丝材直径为2.02mm；

3)采用电弧喷涂设备将该实施例步骤2)制得的铝基陶瓷粉芯丝材喷涂制备成铝基陶瓷复合涂层，电弧喷涂具体工艺参数：喷涂电压35V，喷涂电流299A，雾化空气压力0.7MPa，喷涂距离250mm。

本实施例步骤2)得到的铝基陶瓷粉芯丝材截面形貌照片如图1所示。

本实施例步骤3)制备的涂层的截面形貌图如图2所示，涂层静摩擦系数1.21(干态，按MIL-PRF-24667B(SH)《美军标-防滑涂层性能测试方法》)，涂层结合强度(按GB/T8642-2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》)为23.5MPa，盐雾腐蚀(按GJB150-2009《军用装备环境试验方法第11部分：盐雾试验》)360h后，涂层完好，无鼓泡失效现象。

实施例2

本实施例的铝基陶瓷粉芯丝材及电弧喷涂工艺由以下特征步骤组成：

1)粉芯配比：将粒度为1～200μm的Al₂O₃粉料、粒度500～990纳米的Al₂O₃粉料、粒度1～50μmSiO₂粉料和粒度500～900纳米的SiO₂粉料按98:1:0.9：0.1的质量比混合，后将粉料倒入混料机中充分搅拌；

2)喷涂丝材制备：选用宽度8mm牌号5052的铝带作为喷涂丝材表皮，经弯折后填充步骤1)所得到的粉芯并包覆拉拔成外径约2mm的喷涂丝材，其中粉芯填充比例27.8％，喷涂丝材直径为2.01mm；

3)采用电弧喷涂设备将该实施例步骤2)制得的铝基陶瓷粉芯丝材喷涂制备成铝基陶瓷复合涂层，电弧喷涂具体工艺参数：喷涂电压30V，喷涂电流150A，雾化空气压力0.2MPa，喷涂距离120mm。

本实施例制备的涂层静摩擦系数1.17(干态，按MIL-PRF-24667B(SH)《美军标-防滑涂层性能测试方法》)，涂层结合强度(按GB/T8642-2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》)为21.2MPa，盐雾腐蚀(按GJB150-2009《军用装备环境试验方法第11部分：盐雾试验》)360h后，涂层完好，无鼓泡失效现象。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种电弧喷涂铝基陶瓷丝材的制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

步骤一：将铝带剪裁为指定宽度，将铝带沿宽度方向两侧向上弯折，形成上端开口的中空结构，作为电弧喷涂丝材的表皮；

步骤二：分别选取微米级Al₂O₃粉料、纳米级Al₂O₃粉料、微米级SiO₂粉料和纳米级SiO₂粉料，并混合均匀，制备出粉芯材料；

步骤三：将步骤二的粉芯材料均匀注入步骤一的中空结构内部，将中空结构上端开口封闭，对将封闭后的铝带进行挤压使铝带紧密包覆粉芯，然后将包覆粉芯的铝带拉拔为电弧喷涂丝材。

2.根据权利要求1所述的一种铝基陶瓷电弧喷涂丝材的制备方法，其特征在于，所述粉芯材料中微米级Al₂O₃粉料的质量含量为97％～98％，所述纳米级Al₂O₃粉料的质量含量为1～1.5％，所述微米级SiO₂粉料的质量含量为0.5～1％，所述纳米级SiO₂粉料的质量含量为0.1～0.5％。

3.根据权利要求1或2所述的一种铝基陶瓷电弧喷涂丝材的制备方法，其特征在于，所述微米级Al₂O₃粉料的粒径范围为1～200μm，所述纳米级Al₂O₃粉料的粒径范围为500～990nm，所述微米级SiO₂粉料的粒径范围为1～50μm，所述纳米级SiO₂粉料的粒径范围为500～900nm。

4.根据权利要求1或2所述的一种铝基陶瓷电弧喷涂丝材的制备方法，其特征在于，所述指定宽度为8～12mm、铝带厚度为1～1.5mm；拉拔后喷涂丝材的外径为2mm±0.1mm，所述粉芯占所述丝材的质量含量的20％～28％。

5.一种电弧喷涂铝基陶瓷丝材，其特征在于，所述丝材包括铝制外壳以及粉芯；所述粉芯包括微米级Al₂O₃、纳米级Al₂O₃、微米级SiO₂以及纳米级的SiO₂粉料。

6.如权利要求5所述的电弧喷涂铝基陶瓷丝材，其特征在于，所述粉芯材料中微米级Al₂O₃粉料的质量含量为97％～98％，所述纳米级Al₂O₃粉料的质量含量为1～1.5％，所述微米级SiO₂粉料的质量含量为0.5～1％，所述纳米级SiO₂粉料的质量含量为0.1～0.5％。

7.如权利要求5或6所述的电弧喷涂铝基陶瓷丝材，其特征在于，所述粉芯占所述丝材的质量含量的20％～28％。

8.如权利要求5或6所述的电弧喷涂铝基陶瓷丝材，其特征在于，所述微米级Al₂O₃粉料的粒径范围为1～200μm，所述纳米级Al₂O₃粉料的粒径范围为500～990nm，所述微米级SiO₂粉料的粒径范围为1～50μm，所述纳米级SiO₂粉料的粒径范围为500～900nm。

9.一种采用权利要求5或6所述电弧喷涂铝基陶瓷丝材进行喷涂的喷涂方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将所述丝材装入电弧喷涂设备送丝机构当中待喷涂，喷涂基体为钢基体或铝基体；

(2)对基体喷涂部位吹砂处理，吹砂选用24～60目棕刚玉，压缩空气压力0.3～0.6MPa；

(3)电弧喷涂工艺参数为工作电压30～35V，工作电流150～299A，喷距120～250mm，空气压力0.2～0.7MPa，涂层厚度0.2～1.2mm。