CN105420720B - 一种长期储存n2o4的铝合金储箱焊缝表面防护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，属于铝合金焊缝腐蚀防护技术领域。所述方法用机械打磨去除焊缝表面积瘤；将孔径＜0.5mm孔洞的孔径扩至原来2倍～5倍；焊缝与基体材料熔合线高度差＜0.8mm；将铝粉、2024或2219铝合金粉分别与Al2O3粉混合后送入冷喷枪制备铝合金复合涂层，同步实现焊缝表面粗化和氧化物去除；当焊缝表面存在焊渣和/或灰黑色氧化层时，冷喷涂沉积铝合金复合涂层前，将Al2O3或SiC粉送入冷喷涂枪对焊缝表面喷砂处理，处理后目测不存在焊渣和灰黑色氧化层残留。所述方法可实现长期储存N2O4的铝合金储箱内壁焊缝的腐蚀防护，控制大尺寸薄壁箱体的变形。

Description

一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法
技术领域
本发明涉及一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，具体地说，涉及一种长期储存强氧化剂N2O4的铝合金储箱内表面焊缝的腐蚀防护方法，所述方法通过在所述焊缝表面沉积含有铝合金的复合涂层，调节喷涂粉末材料、尺寸、配比，实现焊缝在强氧化剂N2O4中的长期腐蚀防护；所述方法能够简化制备步骤，实现焊缝表面氧化物清理、基体材料表面粗化处理和涂层沉积一步完成，有效解决储箱长期储存强氧化剂N2O4时的晶间腐蚀和点蚀问题；属于铝合金焊缝腐蚀防护技术领域。
背景技术
随着国防任务需求和航天技术的发展，对大推力运载火箭提出了新的要求，新一代箭体直径的大型运载火箭型号正式进入研制阶段，火箭动力部件之一的助推器，其储箱材料为2219铝合金，要求能够长期可靠储存燃料及强氧化剂N2O4。所述储箱的尺寸大且为薄壁构件，难以直接成型，生产中主要通过对多块6mm～8mm厚的铝合金板材经熔化焊(TIG)与搅拌摩擦焊(FSW)方法拼接完成，因此储箱壁面存在多道环向或纵向焊缝，另外部分焊缝存在交叉和重叠。
所述主体材料为2219铝合金的储箱，通常经过断面收缩率7％的冷轧加工后按照GJB1694-93进行固溶处理并经人工时效处理，依靠AlCu相的时效沉淀而形成强化效果，获得良好的材料强度。同时，2219铝合金基体材料具有良好的抗大气腐蚀能力和加工性能，采用固溶强化处理后，材料不呈现应力腐蚀倾向。熔化焊接过程中，焊缝区域呈现典型的铸态组织，由于合金元素的存在，共晶区的温度区间较宽，因而焊缝中容易产生局部富铜的粗大枝晶组织或发生AlCu相在晶粒边界处的网状析出，同时在热影响区会发生铜元素的二次析出，如图1所示，为焊缝区网状AlCu相析出的扫描电子显微图像；搅拌摩擦焊过程中，焊缝部位的温度低于基体材料的熔点，但仍然会导致AlCu相的局部析出，如图2所示，为焊缝区局部析出AlCu相的扫描电子显微图像。
所述焊缝及热影响区的微观组织及析出相形式的改变，导致在所述储箱上焊缝及热影响区的抗腐蚀能力下降。特别是当长期储存N2O4等强氧化性腐蚀介质时，储箱内壁焊缝中AlCu相的局部析出及Cu元素的不均匀分布会导致焊缝及焊接热影响区部位容易出现晶间腐蚀。 在长期储存燃料及强氧化剂时，焊缝部位同时承受应力载荷，所述腐蚀现象更加严重。针对以上的特点，要求所述储箱焊缝的防护满足以下要求：(1)保证储箱内壁焊缝可以耐受强腐蚀介质；(2)降低防护层制备过程的热输入，控制基体材料温度不高于160℃，避免基体材料及焊缝性能的二次退化；(3)防护层制备过程中能控制薄壁储箱构件的变形；(4)易于实现现场的连续生产，减少防护层制备过程中的中断次数。
目前，针对所述铝合金基体材料表面的腐蚀防护方法主要有阳极氧化处理、涂层防护以及涂装等。但是，阳极氧化处理时对基体材料形状较敏感，容易出现焊缝与母材结合部位及孔隙中的不连续覆盖，且受储箱尺寸和形状限制，在全尺寸储箱中的应用受到制约；涂装防护的材料则难以耐受储箱内燃料及强腐蚀剂的长期化学腐蚀，容易发生焊缝部位的过早失效；而采用热喷涂、激光熔覆和堆焊等方法则因过高的热输入容易导致基体材料及焊缝性能的二次受热退化，同时对于薄壁储箱会产生严重的变形，因此迫切需要寻求一种新型防护方法，以满足储箱内壁焊缝的防护要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法是一种低热输入、基体材料温度升高较低的表面防护层制备方法，能够实现长期储存N2O4的铝合金储箱内壁焊缝的腐蚀防护，所述方法采用冷喷涂在焊缝表面沉积铝合金复合涂层，能够控制大尺寸薄壁箱体的变形，方便实现焊缝腐蚀防护层的现场施工。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法中，作为基体材料的铝合金储箱主体材料为经过断面收缩率7％的冷轧加工后，按照GJB1694-93进行固溶处理并经人工时效处理后的2219铝合金，所述方法步骤包括：
(1)焊缝形状处理
采用机械打磨方法去除铝合金储箱内壁焊缝表面积瘤；当焊缝表面存在孔径＜0.5mm的孔洞时，将孔径加工至原尺寸的2倍～5倍；保证焊缝与基体材料熔合线部分的高度差＜0.8mm；
优选焊缝与基体材料高度差＜0.5mm。
(2)焊缝表面预处理和铝合金复合涂层沉积
将铝粉、2024铝合金粉或2219铝合金粉分别与Al2O3粉混合后得到混合粉末，以轴向送 粉的方式送入冷喷涂喷枪的音速喷嘴进行冷喷涂，利用压力＜1.2MPa的氦气或氮气作为喷涂气体进行加速，加速后的喷涂粉末高速撞击焊缝表面并发生塑性变形而形成铝合金复合涂层对所述铝合金储箱焊缝表面进行防护，铝合金复合涂层覆盖整个焊缝表面并延伸至焊缝熔合线外侧3mm～5mm处；喷涂过程中，喷枪移动速度为20mm/s～120mm/s，送粉速率为7g/min～15g/min，喷涂气体温度为100℃～160℃，喷涂距离为12mm～45mm，喷枪与焊缝表面夹角为75°～90°；铝合金复合涂层的总厚度控制在300μm～700μm，当铝合金复合涂层是多层时，可通过多遍冷喷涂实现；
其中，铝粉、2024铝合金粉和2219铝合金粉的粒度为10μm～50μm；Al2O3粉为熔炼破碎的多角形粉末，粒度为10μm～75μm，以Al2O3粉的总体质量为100％计，其中粒度＞50μm的Al2O3粉的质量百分含量≥30％；以混合粉末的总体质量为100％计，其中Al2O3粉的质量百分含量为20％～80％；
优选铝粉的纯度＞99.95％；
优选铝粉、2024铝合金粉或2219铝合金粉分别与Al2O3粉机械混合；
当焊缝表面经机械打磨后表面呈现光亮的金属色时，采用所述冷喷涂制备铝合金复合涂层时，混合粉末中的Al2O3粉在高速撞击基体材料时可同步实现焊缝表面粗化和氧化物去除，实现焊缝表面净化和铝合金复合涂层沉积一步完成，简化生产程序。
当焊缝表面存在机械打磨难以完全去除的焊渣和/或灰黑色氧化层时，在进行所述冷喷涂沉积铝合金复合涂层前，将粒度为75μm～110μm的多角形Al2O3粉或SiC粉以轴向送粉的方式送入冷喷涂喷枪的音速喷嘴进行冷喷涂，利用压力为0.4MPa～0.5MPa氮气作为喷涂气体，利用Al2O3粉或SiC粉射流完成焊缝表面的喷砂处理，喷砂处理时，喷枪移动速度为100mm/s～200mm/s，送粉速率为10g/min～20g/min，喷涂气体温度为室温，喷涂距离为50mm～80mm，喷枪与焊缝表面夹角为45°～90°，喷砂处理后焊缝表面目测不存在焊渣和灰黑色的氧化层残留，表面粗糙度(Ra)＜5.2μm。
有益效果
1.本发明提供了一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法所采用的含铝合金与Al2O3陶瓷的混合粉末准备简单，通过控制Al2O3含量和粒度，所制备铝合金复合涂层具有极低的气孔率，优化后可达到＜0.1％，所用粉末配方能显著提高铝合金复合涂层与基体材料的结合强度；
2.本发明提供了一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法在涂层制备过程中的喷涂气体温度为100℃～160℃，降低了基体材料的热输入，焊缝表面温度可控 制在100℃以下，能够有效避免薄壁箱体构件喷涂过程中的变形和基体材料性能的二次退化；
3.本发明提供了一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法所制备的铝合金复合涂层中存在的陶瓷颗粒提高了铝合金复合涂层的力学相容性，具有优异的耐N2O4和盐雾腐蚀性能，防护涂层厚度精确可控；
4.本发明提供了一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法可省略热喷涂过程中的喷砂粗化处理或简化喷砂处理时的专用喷砂设备，有效简化生产工艺，提高生产效率；
5.本发明提供了一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法通过调整喷涂粉末和工艺参数，解决系列铝合金粉末在喷涂时的喷嘴堵塞问题。从连续喷涂5min提高至累积连续喷涂时间超过3.5h而不发生堵喷嘴堵塞现象，可以保证大型储箱焊缝涂层制备的生产连续性和稳定性；
6.本发明提供了一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法可以实现纯金属与金属-陶瓷的复合结构，实现针对N2O4腐蚀的梯度防护涂层，在提高铝合金复合防护涂层力学性能的同时，提高腐蚀防护性能。
附图说明
图1为2219铝合金基体材料上的TIG焊缝中的AlCu相网状析出的扫描电子显微图。
图2为2219铝合金基体材料上的FSW焊缝中的局部析出AlCu相的扫描电子显微图。
图3为实施例2中TIG焊缝喷涂铝合金复合涂层后，在55℃下经N2O4浸泡腐蚀30天后的样品截面的扫描电子显微图。
图4为实施例2中FSW焊缝喷涂铝合金复合涂层后，在55℃下经N2O4浸泡腐蚀30天后样品截面的扫描电子显微图。
图5为实施例3中TIG焊缝喷涂铝合金复合涂层后，在55℃下经N2O4浸泡腐蚀30天后样品截面的扫描电子显微图。
图6为实施例3中FSW焊缝喷涂铝合金复合涂层后，在55℃下经N2O4浸泡腐蚀30天后样品截面的扫描电子显微图。
图7为实施例4中TIG焊缝喷涂铝合金复合涂层后，在55℃下经N2O4浸泡腐蚀30天后样品截面的扫描电子显微图。
图8为实施例4中FSW焊缝喷涂铝合金复合涂层后，在55℃下经N2O4浸泡腐蚀30天后样品截面的扫描电子显微形貌。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步描述
以下实施例中：
所述的一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法中，所用基体材料为经过断面收缩率7％的冷轧加工后，按照GJB1694-93进行固溶处理并经人工时效处理的2219铝合金，基体材料内壁上有TIG与FSW所形成的焊缝；
所述铝粉、2024铝合金粉和2219铝合金粉的粒度为10μm～50μm，铝粉的纯度＞99.95％；实施例1
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
将铝合金储箱内壁的焊缝表面进行机械打磨修整，去除焊缝表面积瘤，使焊缝与基体材料熔合线部位平均高度差＜0.2mm。
(2)焊缝表面预处理
焊缝表面存在机械打磨难以完全去除的焊渣和灰黑色氧化层，在进行冷喷涂沉积铝合金复合涂层前需进行焊缝表面预处理如下：
以轴向送粉的方式将粒度为75μm～110μm的多角形Al2O3粉送入冷喷涂喷枪，利用Al2O3粉射流对焊缝表面进行喷砂处理，工作条件为：喷涂气体氮气压力为0.48MPa，温度为25℃，喷涂距离为50mm，送粉速率为18g/min，喷枪移动速度为200mm/s，喷枪与焊缝表面夹角为75°，处理后焊缝表面目测不存在焊渣和灰黑色的氧化层残留，表面粗糙度为5.2μm；喷砂范围覆盖焊缝熔合线外侧5mm。
(3)铝合金复合涂层沉积
将2219铝合金粉与粒度为10μm～75μm的熔炼破碎的多角形Al2O3粉机械混合得到混合粉末，以Al2O3粉的总质量为100％计，其中粒度＞50μm的Al2O3粉的质量百分含量为60％，以混合粉末的总质量为100％计，其中Al2O3粉质量百分含量为50％；
以轴向送粉的方式将混合粉末送入冷喷涂喷枪的音速喷嘴进行冷喷涂，将混合粉末沉积至焊缝表面上，喷涂范围覆盖整个焊缝表面并延伸至焊缝熔合线外侧5mm处形成铝合金复合涂层，对所述铝合金储箱焊缝表面进行防护，具体喷涂参数如下：喷涂气体氦气压力为0.62MPa，喷枪移动速度为120mm/s，送粉速率为11g/min，喷涂气体温度为150℃，喷涂距离为12mm，喷枪与焊缝表面夹角为75°，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为450μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞43MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中的气孔率＜0.3％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为10％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，扫描电子显微镜观察所述样品的涂层中未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层沉积累计连续喷涂3.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例2
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
将铝合金储箱内壁的焊缝表面进行机械打磨修整，去除焊缝表面积瘤，使焊缝与基体材料熔合线部位平均高度差＜0.5mm。
(2)焊缝表面预处理
焊缝表面经机械打磨后表面呈现光亮的金属色时，未对焊缝表面进行喷砂处理。
(3)铝合金复合涂层制备
将铝粉与粒度为10μm～75μm的熔炼破碎的多角形Al2O3粉机械混合得到混合粉末，以混合粉末的总质量为100％计，其中Al2O3粉质量百分含量为40％；
以轴向送粉的方式将混合粉末送入冷喷涂喷枪的音速喷嘴进行冷喷涂，将混合粉末沉积至焊缝表面上，喷涂范围覆盖整个焊缝表面并延伸至焊缝熔合线外侧3mm处形成铝合金复合涂层对所述铝合金储箱焊缝表面进行防护，具体喷涂参数如下：喷涂气体氦气压力为0.62MPa，喷枪移动速度为80mm/s，送粉速率为15g/min，喷涂气体温度为150℃，喷涂距离为15mm，喷枪与焊缝表面夹角为90°，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为700μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞38MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.4％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为19.6％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，所述样品的截面扫描电子显微图像如图3和图4所示，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层沉积累计连续喷涂4h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例3
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例2步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
将2024铝合金粉与粒度为10μm～75μm的熔炼破碎的多角形Al2O3粉混合得到混合粉末，以混合粉末的总质量为100％计，其中Al2O3粉质量百分含量为40％。
其余同实施例2步骤(3)，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为600μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞40MPa，利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计涂层中气孔率＜0.3％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为23％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，样品截面扫描电子显微图像如图5和图6所示，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层沉积累计连续喷涂3.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例4
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例2步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
将2219铝合金粉与粒度为10μm～75μm的熔炼破碎的多角形Al2O3粉混合得到混合粉末，以混合粉末的总质量为100％计，其中Al2O3粉质量百分含量为40％；
其余同实施例2步骤(3)，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为580μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞40MPa，利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.3％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为13.3％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，样品截面扫描电子显微图像如图7和图8所示，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层沉积累计连续喷涂3.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例5
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
将铝合金储箱内壁的焊缝表面进行机械打磨修整，去除焊缝表面积瘤，使焊缝与基体材料熔合线部位平均高度差＜0.3mm。
(2)焊缝表预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
将2219铝合金粉与粒度为10μm～75μm的熔炼破碎的多角形Al2O3粉混合得到混合粉末，以混合粉末的总质量为100％计，其中Al2O3粉质量百分含量为20％；
以轴向送粉的方式将混合粉末送入音速喷嘴进行冷喷涂，将混合粉末沉积至焊缝表面上，喷涂范围覆盖整个焊缝表面并延伸至焊缝熔合线外侧4mm处形成铝合金复合涂层对所述铝合金储箱焊缝表面进行防护，具体喷涂参数如下：喷涂气体氦气压力为0.62MPa，喷涂气体温度为100℃，喷枪移动速度为80mm/s，喷涂距离为15mm，喷枪与焊缝表面夹角为90°，送粉速率为11g/min，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为450μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞35MPa，利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.3％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为9.4％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)喷涂过程中采用热电偶测试焊缝表面温度为46℃，表明所述喷涂方法具有较低的热输入，不会引起基体材料和焊缝的二次退化；
(5)铝合金复合涂层累计连续喷涂4.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例6
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例5步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂气体温度为140℃，其余同实施例5步骤(3)，喷涂一遍获得的铝合金复合涂层厚度为480μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞35MPa，利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率 ＜0.3％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体百分含量为9.8％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)喷涂过程中采用热电偶测试焊缝表面温度为55℃，表明所述喷涂方法具有较低的热输入，不会引起基体材料和焊缝的二次退化；
(5)铝合金复合涂层累计连续喷涂3.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例7
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例5步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂气体温度为150℃，其余同实施例5步骤(3)，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为570μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞37MPa，利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.3％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为11％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)喷涂过程中采用热电偶测试焊缝表面温度为73℃，表明所述喷涂方法具有较低的热输入，不会引起基体材料和焊缝的二次退化；
(5)铝合金复合涂层累计连续喷涂4.2h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例8
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例5步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂气体温度为160℃，其余同实施例5步骤(3)，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为520μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞37MPa，利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.3％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为12.3％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)喷涂过程中采用热电偶测试焊缝表面温度为86℃，表明所述喷涂方法具有较低的热输入，不会引起基体材料和焊缝的二次退化；
(5)铝合金复合涂层累计连续喷涂4h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例9
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
将铝合金储箱内壁的焊缝表面进行机械打磨修整，去除焊缝表面积瘤，使焊缝与基体材料熔合线部位平均高度差＜0.1mm，焊缝表面存在孔径＜0.5mm的孔洞时，将孔洞直径加工至原孔洞直径的5倍。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
将2219铝合金粉与粒度为10μm～75μm的熔炼破碎的多角形Al2O3粉混合得到混合粉末，以混合粉末的总质量为100％计，其中Al2O3粉质量百分含量为50％；
以轴向送粉的方式将混合粉末送入音速喷嘴进行冷喷涂，将混合粉末沉积至焊缝表面上，喷涂范围覆盖整个焊缝表面并延伸至焊缝熔合线外侧3mm处形成铝合金复合涂层对所述铝合金储箱焊缝表面进行防护，具体喷涂参数如下：喷涂气体氦气压力为0.62MPa，喷涂气体温度为150℃，喷枪移动速度为80mm/s，喷涂距离为15mm，喷枪与焊缝表面夹角为90°，送粉速率为11g/min，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为480μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞42MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.2％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为13.6％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层累计连续喷涂4h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例10
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例9步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂距离为25mm，其余同实施例9步骤(3)，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为400μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞40MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.2％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为13％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层累计连续喷涂3.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例11
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例9步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂距离为35mm，其余同实施例9步骤(3)，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为300μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞38MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.4％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为11.2％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层累计连续喷涂4.2h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例12
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例9步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂距离为45mm，其余同实施例9步骤(3)，喷涂一遍后获得的铝合金复合涂层厚度为280μm，连续喷涂两遍后获得铝合金复合涂层总厚度为570μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞38MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.5％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为10.1％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层累计连续喷涂3.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例13
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例9步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂气体氦气压力为0.48MPa，其余同实施例9步骤(3)，连续喷涂两遍后获得铝合金复合涂层总厚度为600μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞28MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.8％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为12.1％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层累计连续喷涂4h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例14
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例2步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂气体为氮气，其余同实施例2步骤(3)，连续喷涂三遍后获得铝合金复合涂层总厚度为550μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞20MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.8％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为12.1％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基体材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层累计连续喷涂5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例15
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例2步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
喷涂气体为氮气，其余同实施例3步骤(3)，连续喷涂三遍后获得铝合金复合涂层总厚度为480μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞22MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.8％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为12.1％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层累计连续喷涂4.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。
实施例16
一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，所述方法步骤如下：
(1)焊缝形状处理
同实施例2步骤(1)。
(2)焊缝表面预处理
同实施例2步骤(2)。
(3)铝合金复合涂层制备
用喷涂气体为氮气，其余同实施例4步骤(3)，连续喷涂三遍后获得铝合金复合涂层总厚度为430μm。
对本实施例制得的具有铝合金复合涂层防护的铝合金储箱焊缝样品进行以下测试：
(1)依据HB-5476-1991中的测试方法进行测试，测得铝合金复合涂层的结合强度＞24MPa；利用所述涂层截面的扫描电子显微照片，采用图像分析方法统计所述涂层中气孔率＜0.8％，所述涂层中Al2O3陶瓷相体积百分含量为8％；
(2)依据GBT20854-2007中的测试方法进行测试，所述样品经质量百分含量为3.5％的中性盐雾腐蚀670h后，所述样品截面通过扫描电子显微镜未观察到基材料的腐蚀；
(3)基体材料上的TIG焊缝和FSW焊缝在喷涂所述涂层后，在55℃下经N2O4加速腐蚀30天后，经扫描电子显微镜观察，TIG焊缝和FSW焊缝上的所述涂层中均未出现贯穿腐蚀和晶间腐蚀，所述涂层与基体材料结合良好，界面未发生腐蚀；
(4)铝合金复合涂层累计连续喷涂3.5h，喷枪的喷嘴内孔检查未出现喷嘴堵塞现象。

Claims (3)

1.一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，其特征在于：所述方法中，作为基体材料的铝合金储箱主体材料为经过断面收缩率7％的冷轧加工后，按照GJB1694-93进行固溶处理并经人工时效处理后的2219铝合金，所述方法步骤包括：
(1)焊缝形状处理
采用机械打磨方法去除铝合金储箱内壁焊缝表面积瘤；当焊缝表面存在孔径＜0.5mm的孔洞时，将孔径加工至原尺寸的2倍～5倍；保证焊缝与基体材料熔合线部分的高度差＜0.8mm；
(2)焊缝表面预处理和铝合金复合涂层沉积
将铝粉、2024铝合金粉或2219铝合金粉分别与Al2O3粉混合后得到混合粉末，以轴向送粉的方式送入冷喷涂喷枪进行冷喷涂，利用压力＜1.2MPa的氦气或氮气作为喷涂气体进行加速，铝合金复合涂层覆盖整个焊缝表面并延伸至焊缝熔合线外侧3mm～5mm处对所述焊缝表面进行防护；喷涂过程中，喷枪移动速度为20mm/s～120mm/s，送粉速率为7g/min～15g/min，喷涂气体温度为100℃～160℃，喷涂距离为12mm～45mm，喷枪与焊缝表面夹角为75°～90°；铝合金复合涂层的总厚度为300μm～700μm，当铝合金复合涂层是多层时，通过多遍冷喷涂实现；
铝粉、2024铝合金粉和2219铝合金粉的粒度为10μm～50μm；Al2O3粉为熔炼破碎的多角形粉末，粒度为10μm～75μm，以Al2O3粉的总体质量为100％计，其中粒度＞50μm的Al2O3粉的质量百分含量≥30％；以混合粉末的总体质量为100％计，Al2O3粉的质量百分含量为20％～80％；
当焊缝表面经机械打磨后表面呈现光亮的金属色时，采用所述冷喷涂制备铝合金复合涂层时，可同步实现焊缝表面粗化和氧化物去除；
当焊缝表面存在机械打磨难以完全去除的焊渣和/或灰黑色氧化层时，在进行所述冷喷涂沉积铝合金复合涂层前，将粒度为75μm～110μm的多角形Al2O3粉或SiC粉以轴向送粉的方式送入冷喷涂喷枪的音速喷嘴，利用压力为0.4MPa～0.5MPa氮气作为喷涂气体进行冷喷涂对焊缝表面喷砂处理，喷砂处理时，喷枪移动速度为100mm/s～200mm/s，送粉速率为10g/min～20g/min，喷涂气体温度为室温，喷涂距离为50mm～80mm，喷枪与焊缝表面夹角为45°～90°，喷砂处理后焊缝表面目测不存在焊渣和灰黑色的氧化层残留，表面粗糙度Ra＜5.2μm。
2.根据权利要求1所述的一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，其特征在于：步骤(1)中，焊缝与基体材料高度差＜0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种长期储存N2O4的铝合金储箱焊缝表面防护方法，其特征在于：步骤(2)中，铝粉的纯度＞99.95％；铝粉、2024铝合金粉或2219铝合金粉分别与Al2O3粉机械混合。
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