CN105525287B - 一种冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层及其制备方法，属于金属表面处理技术领域。所述涂层包含Al和Al2O3以及M，所述M为MoS2和/或WS2；所述Al和Al2O3中，Al2O3体积占比X为15‑54％；所述涂层中，M的质量总占比Y为0.02％～10.08％；所述涂层结构表述为：(Al‑Xvol％Al2O3)‑Ywt％M。本发明制得的自润滑耐磨涂层表面不仅相对均匀一致，而且还致密光滑，孔隙率低，具有良好的机械性能；本发明制得的自润滑耐磨涂层主要以铝为原材料，具有良好的耐均匀腐蚀性能，作为防腐涂层具有广阔的应用前景。

Description

一种冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层及其制备方法，属于金属表面处理技术领域。
背景技术
随着我国深海油气田的开发与应用，高速、强摩擦、海水润滑等特殊环境对海洋油气装备提出了更高的要求，如何进一步提高海洋平台、钻机、在线生产储卸装置等海洋构筑物的耐腐蚀、耐磨性等是当前石油天然气所面临的关键性问题。铝涂层表面可以形成惰性的氧化物薄膜，具有良好的耐均匀腐蚀性能，作为防腐涂层具有广阔的应用前景。但是，铝涂层自身存在强度和硬度较低的缺点，耐磨损性能不足。
近几年来，便携式的低压冷喷涂设备不仅能用于喷涂软金属中含硬质相的复合粉末，且其经济、便携的特性更适用于野外保养和修复，得到了广泛的应用，已被越来越多的科技工作者运用到了各商业领域。加拿大工业材料研究所的E.Irissou等[E.Irissou,J.G.Legoux,B.Arsenault and C.Moreau.Investigation of Al-Al2O3 Cold SprayCoating Formation and Properties[J].Journal of Thermal Spray Technology,2007,16(5-6):661.]采用低压冷喷涂技术制备得到不同粒径的球形铝粉和不同浓度的氧化铝复合涂层，并对其形成机理和性能进行了对比研究。K.Spencer等[K.Spencer,D.M.Fabijanic,M.X.Zhang.The use of Al-Al2O3 cold spray coatings to improvethe surface properties of magnesium alloys[J].Surface&Coatings Technology,2009,204:336-344.]对比研究了AZ91E镁基体上制备的低压冷喷涂纯铝和含有Al2O3增强相的复合涂层，结果表明，Al-Al2O3复合涂层与基体之间的结合强度比纯铝涂层的结合强度高，涂层的耐磨损性比AZ91E镁基体好。
热喷涂铝涂层存在一定程度的氧化、相变和晶粒长大等现象，涂层孔隙率大，均匀性差，结合强度低，这些都导致了该涂层服役性能的下降。冷喷涂纯铝涂层硬度低、耐磨损性能差，且制备工艺要求高，一旦工艺不合适或在某一工艺下长时间工作，铝粉容易造成喷枪阻塞，影响设备的正常运行，对安全生产带来了巨大的风险。低压冷喷涂作为一种新型表面处理技术，它制备的Al-Xvol％Al2O3复合涂层与传统的热喷涂铝涂层相比，具有氧化程度低、致密性高、耐均匀腐蚀性好等诸多优点，但其耐磨损性能仍显不足，需要从喷涂工艺参数和涂层成分等方面进一步改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层，通过添加硬质相(Al2O3陶瓷颗粒)、润滑剂(MoS2/WS2)对现有铝涂层进行改性，旨在提高新涂层的润滑耐磨损性能；本发明同时提供所述涂层的制备方法。
一种冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层，所述涂层包含Al和Al2O3以及M，所述M为MoS2和/或WS2；所述Al和Al2O3中，Al2O3体积占比X为15-54％；所述涂层中，M的质量总占比Y为0.02％～10.08％；所述涂层结构表述为：(Al-Xvol％Al2O3)-Ywt％M。
进一步地，所述M为MoS2和WS2的组合时，MoS2和WS2的质量比为3-9：1。
所述涂层中，控制杂质的质量含量小于0.70％；所述杂质主要有Si、Ti、K、Ca。
所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择基体，对其表面进行除油处理并清洗干净；
(2)将Al粉和Al2O3粉按照Al2O3粉体积占比15-54％的比例配制，机械混合均匀，然后再加入M粉，机械混合均匀，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在真空干燥箱中烘干；
(4)以压缩空气和/或惰性气体作为工作气体，进行喷涂，喷涂压力为0.45～0.82Mpa，喷涂温度为215℃～525℃，喷涂距离为10～36mm，送粉速率为20～40g/min，喷枪的横向移动速度为10～30mm/s，得到所述的冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层。
所述步骤(1)中，所述基体选取低碳钢或合金钢。
所述步骤(2)中，所述铝粉为粒径10～30μm的球形，所述氧化铝粉的粒径为20～40μm，所述M粉粒径为5～50μm。
所述步骤(2)中，铝粉中Al的质量分数(纯度)≥99.0％，氧化铝粉中Al2O3的质量分数(纯度)≥99.0％。
所述步骤(3)中，优选喷涂粉在85-95℃的真空干燥箱中烘25-35min。
所述步骤(4)中，喷涂温度优选215℃～450℃。
本发明不仅可为新型金属基复合涂层的设计和制备提供科学依据及研究基础，还可为海洋构筑物的长周期安全服役提供一种实用的保障技术。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层，制备工艺简单，操作方便，原材料便宜易得，设备便携，适用于野外保养及修复。
2、本发明制得的自润滑耐磨涂层表面不仅相对均匀一致，而且还致密光滑，孔隙率低，具有良好的机械性能。
3、本发明制得的自润滑耐磨涂层主要以铝为原材料，具有良好的耐均匀腐蚀性能，作为防腐涂层具有广阔的应用前景。
4、本发明制得的自润滑耐磨涂层具有优异的自润滑耐磨损性能，克服了铝涂层自身存在强度和硬度较低的缺陷，可作为适应于现场施工的新型冷喷涂材料，使在海洋油气装备上服役的上层建筑得到充分的保护，并延长其使用寿命。
附图说明
图1是本发明所述涂层的制备流程图，
图2是实施例2的摩擦参数变化曲线图，
图3是实施例2的磨损变化曲线图。
具体实施方式
本发明所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备流程图如图1所示，主要包括：送粉器(powder feeder)、加热器(gas heater)和喷嘴(nozzle)。以下通过实施例子来说明本发明所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法。
实施例1
所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al粉(粒径10μm的球形)和Al2O3粉(粒径为20μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为15％；然后再加入MoS2粉(粒径为30μm)，机械混合均匀，MoS2粉加入量占总质量的1％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)打开冷喷涂设备，用磁铁将基体固定在喷涂板上，然后以压缩空气作为工作气体，喷涂压力为0.5Mpa，喷涂温度为250℃，喷涂距离为15mm，送粉速率为22g/min，喷枪的横向移动速度为15mm/s；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的(Al-15vol％Al2O3)-1wt％MoS2涂层。
实施例2
所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为4mm的A32钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al粉(粒径为20μm)和Al2O3粉(粒径为30μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为30％；然后再加入MoS2粉(粒径为30μm)，机械混合均匀，MoS2粉加入量占总质量的2％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在95℃的真空干燥箱中烘28min；
(4)打开冷喷涂设备，用磁铁将基体固定在喷涂板上，然后以氦气作为工作气体，喷涂压力为0.7Mpa，喷涂温度为450℃，喷涂距离为22mm，送粉速率为30g/min，喷枪的横向移动速度为20mm/s；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的(Al-30vol％Al2O3)-2wt％MoS2涂层。
图2是本实施例磨损2000次后的摩擦系数变化曲线图，从图中可知，两涂层的摩擦系数具有相同的变化趋势，都是随着滑动时间的延长呈先迅速上升，之后在较长一段时间内趋于平稳，且(Al-30vol％Al2O3)-2wt％MoS2涂层的摩擦系数明显低于相同条件下制得的Al-30vol％Al2O3(不含MoS2)涂层的摩擦系数；
图3是本实施例磨损2000次后的磨损变化曲线，从图中可知，(Al-30vol％Al2O3)涂层的磨损失重量随着磨损次数的增加逐渐缓慢的增加，但是(Al-30vol％Al2O3)-2wt％MoS2涂层的磨损失重量随着磨损次数的增加先是缓慢增加随后又呈逐渐下降的趋势，(Al-30vol％Al2O3)-2wt％MoS2涂层的磨损失重量(仅为0.8mg)明显低于相同条件下制得的Al-30vol％Al2O3(不含MoS2)涂层的磨损失重量。
实施例3
所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al粉(粒径30μm的球形)和Al2O3粉(粒径为40μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为30％；然后再加入WS2粉(粒径为20μm)，机械混合均匀，WS2粉加入量占总质量的5％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在85℃的真空干燥箱中烘35min；
(4)打开冷喷涂设备，用磁铁将基体固定在喷涂板上，然后以压缩空气作为工作气体，喷涂压力为0.5Mpa，喷涂温度为250℃，喷涂距离为30mm，送粉速率为40g/min，喷枪的横向移动速度为25mm/s；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的(Al-30vol％Al2O3)-5wt％WS2涂层。
实施例4
所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al粉(粒径26μm的球形)和Al2O3粉(粒径为28μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为25％；然后再加入WS2粉(粒径为5μm)，机械混合均匀，WS2粉加入量占总质量的3％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)打开冷喷涂设备，用磁铁将基体固定在喷涂板上，然后以氦气作为工作气体，喷涂压力为0.45Mpa，喷涂温度为300℃，喷涂距离为25mm，送粉速率为30g/min，喷枪的横向移动速度为25mm/s；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的(Al-25vol％Al2O3)-3wt％WS2涂层。
实施例5
所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为4mm的10CrMoAl钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al粉(粒径为30μm的球形)和Al2O3粉(粒径为40μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为54％；然后再加入MoS2与WS2粉(粒径为10μm)，机械混合均匀，MoS2与WS2粉质量比为3:1，MoS2与WS2粉加入量占总质量的5％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在85℃的真空干燥箱中烘35min；
(4)打开冷喷涂设备，用磁铁将基体固定在喷涂板上，然后以压缩空气作为工作气体，喷涂压力为0.6Mpa，喷涂温度为525℃，喷涂距离为30mm，送粉速率为40g/min，喷枪的横向移动速度为25mm/s；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的(Al-54vol％Al2O3)-5wt％M涂层。
实施例6
所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al粉(粒径10μm的球形)和Al2O3粉(粒径为20μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为42％；然后再加入MoS2与WS2粉(粒径20μm，)，机械混合均匀，MoS2与WS2粉质量比为7:1，MoS2与WS2粉加入量占总质量的4％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)打开冷喷涂设备，用磁铁将基体固定在喷涂板上，然后以氦气作为工作气体，喷涂压力为0.5Mpa，喷涂温度为250℃，喷涂距离为15mm，送粉速率为22g/min，喷枪的横向移动速度为15mm/s；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的(Al-42vol％Al2O3)-4wt％M涂层。
实施例7(对照1)
一种冷喷涂涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为4mm的10CrMoAl钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al粉(粒径30μm的球形)和Al2O3粉(粒径为40μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为54％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在85℃的真空干燥箱中烘35min；
(4)打开冷喷涂设备，用磁铁将基体固定在喷涂板上，然后以压缩空气作为工作气体，喷涂压力为0.6Mpa，喷涂温度为525℃，喷涂距离为30mm，送粉速率为40g/min，喷枪的横向移动速度为25mm/s；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的Al-54vol％Al2O3涂层。
实施例8(对照2)
所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al粉(粒径10μm的球形)和Al2O3粉(粒径为20μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为42％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在90℃的真空干燥箱中烘30min；
(4)打开冷喷涂设备，用磁铁将基体固定在喷涂板上，然后以氦气作为工作气体，喷涂压力为0.5Mpa，喷涂温度为250℃，喷涂距离为15mm，送粉速率为22g/min，喷枪的横向移动速度为15mm/s；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的Al-42vol％Al2O3涂层。
实施例9(对照3)
所述等离子喷涂(Al-42vol％Al2O3)-4wt％M涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙酮、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
(2)将Al(粒径为30μm的球形)和Al2O3粉(粒径为40μm)进行机械混合均匀，其中Al2O3粉体积占比为42％；然后再加入MoS2与WS2粉(粒径为20μm)，机械混合均匀，MoS2与WS2粉质量比为7:1，MoS2与WS2粉加入量占总质量的4％，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在100℃的真空干燥箱中烘35min；
(4)打开等离子喷涂设备，以Ar与N2的混合气体作为工作气体，采用喷涂工艺参数：电流400A，电压70V，主气流量2.3m3/h，喷距12cm；进行喷涂，制备得到平均厚度在150μm左右的等离子喷涂(Al-42vol％Al2O3)-4wt％M涂层。
实施例10：摩擦磨损实验和孔隙率测定
将实施例1-9制备得到的涂层采用线接触往复滑动方式进行摩擦磨损实验，加载力1N，相对运动速度3mm/s，往返行程为10mm，分别磨损10000、20000和50000次；得到各实施例的相关实验结果参数，详见表1：
采用灰度法近似测量涂层的孔隙率。取抛光后的涂层截面试样，用酒精冲洗干净并用吹风机吹干，通过扫描电镜观察并拍照，然后利用Photoshop软件进行涂层孔隙率的分析计算。实验选取5个视场区域，测出每个视场区域内的像素，之后再将5个视场区域内的孔隙所占像素标定出来，并将5个视场的孔隙所占像素同总视场的像素相比，比值即为涂层的孔隙率，详见表1。
表1 摩擦磨损参数和孔隙率
由表1可知，本发明得到的涂层与其他涂层相比，平均摩擦系数低，磨损失重量小，孔隙率低；因此具有很好的机械性能。

Claims (8)

1.一种冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述涂层包含Al和Al2O3以及M，所述M为MoS2和WS2的组合或WS2；所述Al和Al2O3中，Al2O3体积占比X为15-54％；所述涂层中，M的质量总占比Y为0.02％～10.08％；所述涂层结构表述为：(Al-Xvol％Al2O3)-Ywt％M；喷涂压力为0.45～0.82Mpa，喷涂温度为215℃～300℃；
所述M为MoS2和WS2的组合时，MoS2和WS2的质量比为3-7：1。
2.根据权利要求1所述的冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层，其特征在于，所述涂层中，控制杂质的质量含量小于0.70％。
3.一种权利要求1-2任一所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择基体，对其表面进行除油处理并清洗干净；
(2)将Al粉和Al2O3粉按照Al2O3粉体积占比15-54％的比例配制，机械混合均匀，然后再加入M粉，机械混合均匀，得到喷涂粉；
(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在真空干燥箱中烘干；
(4)以压缩空气和/或惰性气体作为工作气体，进行喷涂，喷涂压力为0.45～0.82Mpa，喷涂温度为215℃～300℃，喷涂距离为10～36mm，送粉速率为20～40g/min，喷枪的横向移动速度为10～30mm/s，得到所述的冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层。
4.根据权利要求3所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述基体为低碳钢或合金钢。
5.根据权利要求3所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述铝粉的粒径为10～30μm，所述氧化铝粉的粒径为20～40μm，所述M粉的粒径为5～50μm。
6.根据权利要求5所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述铝粉是粒径为10～30μm的球形。
7.根据权利要求3所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，铝粉中Al的质量分数≥99.0％，氧化铝粉中Al2O3的质量分数≥99.0％。
8.根据权利要求3所述冷喷涂铝基自润滑耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，喷涂粉在85-95℃的真空干燥箱中烘25-35min。
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