CN106591767B - 一种用于制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材 - Google Patents

一种用于制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于制备耐腐蚀Al‑Zn‑Mg‑Ni非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，其特征在于，所述的粉芯丝材外皮为纯铝带；所述的粉芯为Zn、Mg、Ni的金属粉，占丝材的质量百分比为38‑44％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：16‑22％Zn、14‑18％Mg、4‑8％Ni。本粉芯丝材经高速电弧喷涂技术加工后可形成铝基非晶纳米晶复合涂层，涂层由非晶、纳米晶及晶化相等多相结构组成，具有优异的耐腐蚀性能，可有效提高钢结构件表面耐腐蚀性能，延长服役寿命。

Description

一种用于制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的粉 芯丝材
技术领域
本发明属于材料加工工程专业表面处理技术中的热喷涂领域，涉及一种用于热喷涂的粉芯丝材，特别是涉及一种制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层用的粉芯丝材。
背景技术
材料与环境之间发生化学或电化学反应后，引发材料的腐蚀失效，导致装备功能丧失，给社会造成巨大的经济损失，甚至发生不可估量的重大灾害。钢铁是人类最为常用的装备材料之一，但其在腐蚀介质内却极易发生腐蚀失效，因此针对如何提高钢铁防腐技术的研究工作成为了众多材料科研工作者们的重点关注之一。非晶材料内部原子结构呈无规律、随机性排列，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，赋予了该类材料优异的防腐性能。纳米晶晶粒小，比表面积大，表面活性强，具有一般材料难以获得的优异性能，如高耐磨性能、优异防腐性能等。非晶纳米晶复合结构既能发挥非晶的防腐效能，又能发挥弥散分布于非晶母相中的纳米晶的强化作用，可使材料兼具防腐与耐磨双重功能。传统钢铁表面金属防腐层多为Al、Zn、ZnAl合金涂层，存在防腐性能良好、动态抗磨损性能不佳的缺陷。针对传统金属防腐层的这些问题，利用高速电弧喷涂技术快速凝固特征(冷却速度＞105K/s)，研发出既耐腐蚀又耐磨损的铝基非晶纳米晶复合涂层制备技术，具有十分重要的意义。高速电弧喷涂技术基于材料制备与成形一体化思路，喷涂含有形成非晶的必要元素的粉芯丝材，可在喷涂过程中动态原位形成非晶纳米晶复合涂层。目前采用高速电弧喷涂技术制备铝基非晶纳米晶复合涂层的文献报道较少，仅有装甲兵工程学院报道了相关技术成果(授权号为201310260182.1的中国专利)，公开的粉芯丝材采用了稀土元素(钇、混合稀土等)来提高非晶形成能力，导致制作成本相对昂贵。因此，如何合理设计合金成分、降低铝基非晶态合金制备成本、克服现有制备技术的不足，采用简单制备方法来获得大面积铝基非晶纳米晶复合材料正成为目前亟待解决的问题。至今为止，还未见利用高速电弧喷涂技术制备成分为Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层方面的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的用于制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂技术使用所述铝基粉芯丝材可制备出防腐耐磨性能优异的铝基非晶纳米晶复合涂层。
本发明提供的一种用于制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，所述粉芯丝材采用纯铝带包裹粉芯；所述粉芯占丝材的质量百分比为38-44％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Zn 16-22％、Mg 14-18％、Ni 4-8％。
优选地，所述粉芯占丝材的质量百分比为38％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Zn 16％、Mg 18％、Ni 4％。
优选地，所述粉芯占丝材的质量百分比为41％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Zn 19％、Mg 16％、Ni 6％。
优选地，所述粉芯占丝材的质量百分比为44％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Zn 22％、Mg 14％、Ni 8％。
上述粉芯丝材的制备方法，按照上述粉芯丝材各组分百分比将粉芯称重配料，并放入混粉机混合30分钟；将10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)纯铝带轧制成U形，向U形铝带槽中加入混合均匀的粉芯；然后将U形槽合口，使粉芯包覆其中；最后经多道拉丝拉拔减径至直径为2.0mm的丝材。
本发明的特点在于：
1.生产成本较低。所选用的铝带、合金粉末均比其他同类材料的价格低，生产成本能降低50％。因为其他同类材料均选用了稀土元素或价格略高的合金粉末，导致生产成本在100元/公斤以上，而本发明提供的粉芯丝材的生产制作成本在50元/公斤左右。
2.防腐性能优异。粉芯丝材经高速电弧喷涂工艺后形成的非晶纳米晶复合涂层中含有非晶相、纳米晶相及晶化相等，这些组织均可起到提高材料防腐性能的作用。而且，Al、Zn、Mg元素在喷涂过程中会形成耐腐蚀的尖晶石相，对提高材料整体防腐性能有帮助。
3.硬度和耐磨性优于传统防腐金属涂层(纯Al涂层)，硬度比纯铝涂层提高了4倍以上。
本发明有益的效果在于：
本发明提供一种用于制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，通过合理设计粉芯丝材各组分的含量，选用常见低成本普通金属元素作为组分，采用现有高速电弧喷涂技术形成连续致密的铝基非晶纳米晶复合涂层；该涂层由非晶、纳米晶相和晶化相共同组成，涂层与基体结合良好，而且防腐和耐磨性能优异，可为腐蚀环境下服役的钢结构件提供有效的表面防护，应用前景十分广泛。
附图说明
图1为本发明一优选实施例制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的横截面形貌。
图2为本发明一优选实施例制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的X射线衍射图谱。
图3为本发明一优选实施例制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的硬度分布图。
图4为本发明一优选实施例制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的TEM图。
图5为本发明一优选实施例制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的动电位极化曲线。
图6为本发明另一优选实施例制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的TEM图。
图7为本发明又一优选实施例制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的硬度分布图。
图8为本发明又一优选实施例制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的动电位极化曲线。
具体实施方式
下面以具体实施例结合附图来说明本发明的技术方案。
实施例1：一种制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层用的粉芯丝材及其制备方法
选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的纯铝带，先将其轧制成U形，按照粉芯各元素质量百分比：16％Zn、18％Mg、4％Ni，称重配料，并放入混粉机内混合30分钟，再添加入U形铝带槽中，填充率为38％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆在其中，经过多道拉丝拉拔减径至直径为2.0mm，最后绕制成出厂所需盘状，经计量和包装后形成可出厂产品。
以实施例1制备的粉芯丝材为材料，采用高速电弧喷涂技术制备铝基涂层所用的喷涂工艺参数为：喷涂电流为120A，喷涂电压为32V，喷涂气体压力为0.6MPa，喷涂距离为200mm。
使用实施例1制备的粉芯丝材喷涂的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的横截面形貌如图1所示，可以看出：涂层组织均匀、结构致密，呈明显的层状结构，涂层与基体结合良好，经计算得知涂层孔隙率约为1.6％。实施例1制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的X射线衍射图谱见图2，可以看出，在2θ＝44°处存在漫散射峰，这是典型的非晶态结构的X射线衍射图谱特征，说明涂层沉积过程中形成了非晶结构。同时涂层中还存在α-Al、Ni、Zn、AlNi、MgAl2O4等晶化相。涂层硬度分布图如图3所示，涂层平均硬度为HV0.1294.6。涂层TEM照片如图4所示，可以看出涂层是由非晶、纳米晶及晶化相共同组成的。涂层在质量分数为3.5％NaCl溶液中浸泡半小时的动电位极化曲线如图5所示，同传统防腐用金属涂层纯Al涂层相比，Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的自腐蚀电位比纯Al涂层正，Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的自腐蚀电流密度比纯Al涂层的小，说明Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的耐腐蚀性能要优于纯Al涂层。
实施例2：一种制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层用的粉芯丝材及其制备方法
选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的纯铝带，先将其轧制成U形，按照粉芯各元素质量百分比：19％Zn、16％Mg、6％Ni，称重配料，并放入混粉机内混合30分钟，再添加入U形铝带槽中，填充率为41％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆在其中，经过多道拉丝拉拔减径至直径为2.0mm，最后绕制成出厂所需盘状，经计量和包装后形成可出厂产品。
以实施例2制备的粉芯丝材为材料，采用高速电弧喷涂技术制备铝基涂层所用的喷涂工艺参数为：喷涂电流为120A，喷涂电压为30V，喷涂气体压力为0.65MPa，喷涂距离为200mm。
使用实施例2制备的粉芯丝材喷涂的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的TEM照片见图6，可以看出涂层是由非晶、纳米晶及晶化相共同组成的。
实施例3：一种制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层用的粉芯丝材及其制备方法
选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的纯铝带，先将其轧制成U形，按照粉芯各元素质量百分比：22％Zn、14％Mg、8％Ni，称重配料，并放入混粉机内混合30分钟，再添加入U形铝带槽中，填充率为44％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆在其中，经过多道拉丝拉拔减径至直径为2.0mm，最后绕制成出厂所需盘状，经计量和包装后形成可出厂产品。
以实施例3制备的粉芯丝材为材料，采用高速电弧喷涂技术制备铝基涂层所用的喷涂工艺参数为：喷涂电流为140A，喷涂电压为30V，喷涂气体压力为0.6MPa，喷涂距离为200mm。
实施例3制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层硬度分布图如图7所示，涂层平均硬度为HV0.1295.2。实施例3制备的Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层在质量分数为3.5％NaCl溶液中浸泡半小时的动电位极化曲线如图8所示，同传统防腐用金属涂层纯Al涂层相比，Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的自腐蚀电位比纯Al涂层正，Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的自腐蚀电流密度比纯Al涂层的小，说明Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的耐腐蚀性能要优于纯Al涂层。
从上述实施例可以看出，本发明提供的用于制备Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，可制备低成本的、防腐耐磨性能均优于传统防腐用纯铝涂层的合金防护涂层，能为腐蚀环境下服役的钢结构件提供有效的表面防护，具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种用于制备耐腐蚀Al-Zn-Mg-Ni非晶纳米晶复合涂层的粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯丝材采用纯铝带包裹粉芯；所述粉芯占丝材的质量百分比为38-44％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Zn 16-22％、Mg 14-18％、Ni 4-8％。
2.如权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯占丝材的质量百分比为38％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Zn 16％、Mg 18％、Ni 4％。
3.如权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯占丝材的质量百分比为41％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Zn 19％、Mg 16％、Ni 6％。
4.如权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯占丝材的质量百分比为44％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Zn 22％、Mg 14％、Ni 8％。
5.一种权利要求1-4任一项所述的粉芯丝材的制备方法，其特征在于，按粉芯丝材各组分百分比将粉芯称重配料，并放入混粉机混合30分钟；将纯铝带轧制成U形，向U形铝带槽中加入混合均匀的粉芯；然后将U形槽合口，使粉芯包覆其中；最后经多道拉丝拉拔减径至直径为2.0mm的丝材。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纯铝带宽度为10mm，厚度为0.4mm。
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