CN106591768A - 一种用于高速电弧喷涂技术制备Al‑Ni‑Nb‑Co非晶涂层的粉芯丝材 - Google Patents

一种用于高速电弧喷涂技术制备Al‑Ni‑Nb‑Co非晶涂层的粉芯丝材 Download PDF

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徐滨士
陈永雄
胡振峰
蔡志海
仝永刚
商俊超
范建文
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Abstract

本发明公开了一种用于高速电弧喷涂技术制备Al‑Ni‑Nb‑Co非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，所述的粉芯丝材外皮为纯铝带；所述的粉芯占丝材的质量百分比为34‑38％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：12‑16％Ni、12‑16％Nb、6‑10％Co。所述粉芯丝材具有较强的非晶形成能力，采用高速电弧喷涂技术制备的涂层中非晶含量较高，兼具防腐与耐磨双重功能，可为钢铁及轻合金零部件表面防护提供坚实的材料保障。

Description

一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的粉 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，主要应用于腐蚀与磨损交互作用工况下服役的钢结构及轻合金零部件的表面防护。
背景技术
据资料显示，2014年我国因腐蚀造成超过2万亿元的经济损失，因此，提高材料表面防腐技术及研发新型材料保障体系刻不容缓。近年来，非晶态合金材料以其优异的力学、防腐与耐磨等性能优势，成为了本世纪初最受人们关注的材料之一。非晶态合金没有晶界、位错、层错等结构缺陷，组织均匀，具有较高的硬度和优异的防腐性能；部分纳米晶化的非晶态合金因弥散强化作用而具有了优异的耐磨性能，且在腐蚀介质中易促进钝化膜生成，有利于提高材料的耐蚀性能。高速电弧喷涂技术具有快速凝固的特征，可赋予熔融态材料极高的冷却速率(＞105K/s)，满足非晶态合金材料快速凝固成形与制备一体化的技术要求。因此，通过适当调整铝基粉芯丝材的合金成分，使铝基涂层内部微观组织结构由非晶、纳米晶和晶化相共同组成，将会获得兼具优异防腐与耐磨双重功能的铝基非晶涂层，可为腐蚀与磨损交互作用下服役的钢结构及轻合金装备表面防护提供有利的技术支撑和材料保障。
目前，国内外有关采用高速电弧喷涂技术制备铝基非晶纳米晶涂层的报道不多。现有报道的与可用于高速电弧喷涂备铝基非晶纳米晶涂层的粉芯丝材相关的资料显示，均存在一些不足：第一，添加元素过多，不便于理论研究与优化调整；第二，非晶含量较低(不足30％)、晶体含量偏高，未能充分发挥非晶态合金材料独有的性能特征；第三，过于追求稀土元素促进形成非晶的作用，导致制备成本较高。因此，研发出高非晶含量、成本较低、成分简单、性能优异的可用于高速电弧喷涂制备铝基非晶涂层的粉芯丝材，具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的粉芯丝材，该粉芯丝材生产成本较低，而且利用高速电弧喷涂技术采用所述铝基粉芯丝材可制备出高非晶含量、防腐与耐磨综合性能优异的铝基非晶涂层。
本发明提供的一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯丝材采用纯铝带外皮包裹粉芯；所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为34％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Ni 12-16％；Nb 12-16％；Co 6-10％。
优选地，所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为36％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Ni 12％；Nb 16％、Co 6％。
优选地，所述的粉芯占粉芯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：Ni 16％；Nb 12％；Co 8％。
优选地，所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为34-38％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Ni 14％；Nb 14％；Co 10％。
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1小时；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.本发明提供的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层拓宽了铝基非晶合金的材料体系，并可利用简单的生产工艺进行大面积制备，生产周期短、效率高、实用性强。
2.涂层非晶含量较高。根据日本非晶材料专家Inoue教授提出的块体非晶合金成分设计指导原则，本发明提供的粉芯丝材可制备的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层为四元合金体系，比现有报道中提及的铝基非晶合金体系相对较少；各组元原子半径分别为：RAl＝0.143nm，RNi＝0.142nm，RNb＝0.148nm，RCo＝0.126nm，原子半径尺寸差约为12％；各组元之间的负混合热焓值分别为：ΔHAl-Ni＝-22kj/mol，ΔHAl-Nb＝-18kj/mol，ΔHAl-Co＝-19kj/mol，ΔHNi-Nb＝2kj/mol，ΔHNi-Co＝6kj/mol，ΔHNb-Co＝-25kj/mol，使合金系统具有较大的负混合热焓。这些条件均有利于非晶的形成，因此使得涂层非晶含量≥60％，便于实现大量非晶母相中弥散分布纳米晶粒的复合微观结构，这种结构有利于提升涂层的防腐与耐磨综合性能。
3.本发明所需原材料均为常见市售廉价合金材料，生产成本较低。现有涉及铝基非晶合金的报道中均含有昂贵的稀土元素，但是国外稀土粉末的价格超过1000元/公斤，国内稀土粉末的价格不低于450元/公斤，而且国内稀土粉末中多为氧化稀土，不适于铝基非晶合金的制备。与之相比，本发明采用的合金粉末价格较低，在生产成本方面优势明显。
4.由于合金体系中加入了Co元素，不仅在保证涂层防腐性能的同时提高了涂层的整体硬度，还促进涂层微观结构中纳米晶相的形成、提高了涂层的防腐与耐磨性能。常规晶态铝合金的显微硬度值普遍较低，即使经过热处理的铝合金显微硬度值也小于HV100，而本发明提供的铝基非晶涂层显微硬度值大于HV300，与45#碳钢硬度相当，有效提高了涂层耐磨损性能，保障了涂层在腐蚀与磨损交互作用下的具有较强的防护能力。涂层防腐性能为传统防腐用合金涂层，如纯铝涂层的3倍以上。
本发明有益的效果在于：
本发明提供一种种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的粉芯丝材，合理设计粉芯丝材各组分的含量，采用现有高速电弧喷涂技术可在钢铁及轻合金基体表面形成连续致密的铝基非晶涂层；该涂层具有较高的非晶含量(体积分数≥60％)，而且防腐和耐磨性能优异，可为沿海及近海钢结构件及轻合金部件表面防护提供行之有效的措施，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-Ni-Nb-Co非晶涂层的X射线衍射图谱。
图2为本发明一优选实施例制备的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的横截面形貌。
图3为本发明一优选实施例制备的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的硬度分布图。
图4为本发明另一优选实施例制备的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的横截面形貌。
图5为本发明又一优选实施例制备的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的硬度分布图。
图6为本发明三种优选实施例制备的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的极化曲线图。
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1：一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Nb-Co非晶涂层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，按照粉芯丝材各元素质量百分比：12％Ni、16％Nb、6％Co，称重配料，将所取的粉末放入混粉机内混合1小时后，加入U形铝带槽中，填充率为34％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆其中，再经过多道拉丝减径至直径为2.0mm，最后将成品粉芯丝材绕制成出厂所需盘状，并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非晶涂层所用的喷涂工艺参数为：喷涂电流为140A，喷涂电压为34V，喷涂气体压力为0.7MPa，喷涂距离为200mm。
使用实施例1制备的粉芯丝材的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的X射线衍射图谱见图1，可以看出，在2θ＝42°处出现了一个漫散射峰，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；经拟合计算得知，涂层非晶含量约为68％。涂层的横截面形貌如图2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1.5％。涂层的硬度分布图如图3所示，涂层平均硬度为HV0.1355.9。
实施例2：一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Nb-Co非晶涂层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，按照粉芯丝材各元素质量百分比：16％Ni、12％Nb、8％Co，称重配料，将所取的粉末放入混粉机内混合1小时后，加入U形铝带槽中，填充率为36％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆其中，再经过多道拉丝减径至直径为2.0mm，最后将成品粉芯丝材绕制成出厂所需盘状，并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150A，喷涂电压为32V，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-Ni-Nb-Co非晶涂层的横截面形貌如图4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1.4％。
实施例3：一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Nb-Co非晶涂层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，按照粉芯丝材各元素质量百分比：14％Ni、14％Nb、10％Co，称重配料，将所取的粉末放入混粉机内混合1小时后，加入U形铝带槽中，填充率为38％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆其中，再经过多道拉丝减径至直径为2.0mm，最后将成品粉芯丝材绕制成出厂所需盘状，并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34V，喷涂气体压力为0.65MPa，喷涂距离为200mm。
使用实施例3制备的粉芯丝材喷涂的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的硬度分布图如图5所示，涂层平均硬度为HV0.1363.5。
图6为使用实施例1-3制备的粉芯丝材喷涂的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层在质量分数为3.5％的NaCl溶液中浸泡半小时的动电位极化曲线图，从图6中可知三种实施例制备的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的腐蚀电位均正于传统防腐用纯Al涂层，腐蚀电流密度均小于传统防腐用纯Al涂层，表现出了优异的防腐蚀性能。
从上述实施例可以看出，本发明提供的粉芯丝材制备的Al-Ni-Nb-Co非晶涂层，具有较高的非晶含量、较高的硬度和优异的防腐耐磨性能，可为沿海及近海钢结构件及轻合金部件表面防护提供行之有效的措施，应用前景十分广泛。

Claims (6)

1.一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Nb-Co非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯丝材采用纯铝带外皮包裹粉芯；所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为34-38％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Ni 12-16％；Nb 12-16％；Co 6-10％。
2.如权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于，所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为34％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Ni 12％；Nb 16％、Co 6％。
3.如权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于，所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为36％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Ni 16％；Nb 12％；Co 8％。
4.如权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于，所述的粉芯占粉芯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：Ni 14％；Nb 14％；Co 10％。
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1小时；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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