CN107338433A - 一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法 - Google Patents

一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法 Download PDF

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牛文娟
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Abstract

本发明提供了一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，将Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末于80℃干燥8～12小时，其中，干燥箱抽真空为10‑2～10‑3Pa；将合金粉末放入冷喷涂系统中，以高压气体为气源，气体压力为1.5～3MPa，控制送粉量为10～12g/min，保证合金粉末以速度500～1200m/s喷出喷枪。本发明采用低温冷喷涂的方式，粉末粒子的温度不大于150℃，整个喷涂过程中Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末保持为固体状态，无熔化现象，因而非晶合金粉末无氧化和相变现象。高速飞行的粒子与基体表面高速碰撞后沉积为涂层，涂层材料保留有与原始粉末一致的非晶态结构，不存在非晶的氧化和晶化，可以获得具有完整非晶结构的致密非晶合金涂层。

Description

一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法
【技术领域】
本发明涉及镁合金材料表面改性、涂层技术，具体涉及一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法。
【背景技术】
镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、导热导电性能良好，生物相容性良好等优异的性能。但是镁原子较为活泼，导致镁合金的耐腐蚀性差，极大地限制了镁合金的发展及应用。由非晶合金材料制备而成的涂层，其原子排列呈现长程无序而短程有序的独特结构，没有晶界、位错等晶体缺陷，具有一系列优异的物理化学性能，如高强度、高硬度，优良的耐腐蚀、耐磨损性能等。
目前非晶合金涂层材料的制备多采用超音速火焰喷涂、等离子喷涂以及激光熔覆等高温技术。由于制备过程涉及原始非晶粉末材料的熔化，因而难以避免非晶的氧化、晶化，以及对镁合金基体材料表面的热损伤等问题。非晶涂层中的氧化和晶化破坏了原有非晶合金的成分平衡，不利于非晶涂层的形成。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种镁合金表面非晶合金涂层的低温冷喷涂制备方法，克服现有高温技术制备过程中存在的氧化、晶化以及对镁合金表面的热损伤等缺点。所制备涂层为一种Al85Y10Ni5铝基非晶合金沉积层，具有良好的非晶态结构。
本发明采用以下技术方案：
一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)取粒径为5～25μm的Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末，在真空干燥箱内于80℃干燥8～12小时，其中，干燥箱抽真空为10-2～10-3Pa；
(2)将步骤(1)的合金粉末放入冷喷涂系统中，以高压气体为气源，气体压力为1.5～3MPa，控制送粉量为10～12g/min，保证合金粉末的以速度500～1200m/s喷出喷枪，整个喷涂过程中铝基非晶合金粉末保持为固体状态，无氧化和相变现象。
所述的Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末采用气体雾化法制备而得。
镁合金表面经打磨、清洗、去油污和表面氧化皮后参与冷喷涂工艺。
镁合金表面采用超声波振荡清洗。
所述的冷喷涂的气体采用氮气或氦气。
所述的冷喷涂中，高压气体的加热温度为200-550℃。
所述的冷喷涂中，喷枪出口与镁合金基体表面的距离控制在10-30mm。
喷枪的移动速度为100mm/min。
所制备的非晶合金粉末涂层厚度为300～1000μm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明采用低温冷喷涂的方式，粉末粒子的温度不大于150℃，整个喷涂过程中Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末保持为固体状态，无熔化现象，因而非晶合金粉末无氧化和相变现象。高速飞行的粒子与基体表面高速碰撞后沉积为涂层，涂层材料保留有与原始粉末一致的非晶态结构，不存在非晶的氧化和晶化，可以获得具有完整非晶结构的致密非晶合金涂层。
【附图说明】
图1为AZ91D镁合金表面Al85Y10Ni5铝基非晶合金涂层的截面扫描电镜图片。
图2为Al85Y10Ni5铝基非晶合金涂层与原始粉末的XRD分析曲线。
【具体实施方式】
本领域技术人员均知，非晶合金材料具有高的强度、硬度及弹性模量，因而其在室温下具有较高的脆性，且塑性变形能力差。较差的塑性变形性能导致非晶合金粒子在冷喷涂高速撞击基体表面的过程中，发生颗粒回弹、飞溅现象，从而无法沉积形成涂层。
为解决上述技术问题，根据非晶合金材料在玻璃转化温度附近具有超塑性变形的特点，本专利申请通过对非晶合金粉末进行加热，使其温度达到玻璃转化温度附近，以提高非晶合金粒子在喷涂过程中的塑性变形能力。因而，当非晶合金粒子在冷喷涂高速撞击基体表面的过程中，可以沉积在基体表面形成涂层，最终制备非晶合金涂层。
非晶合金材料的玻璃转化温度与材料的化学成分密切相关，属于材料的物理特性。因而，根据非晶合金材料的特性，选取合适的冷喷涂加热温度是成功制备非晶合金涂层的关键。
本发明公开了一种镁合金表面非晶合金涂层的低温冷喷涂制备方法，包括以下步骤：
(1)非晶合金原始粉末材料：采用气体雾化法制备粉末粒径<50μm的Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末，并以此为原料。将该粉末进行筛分，选取粒径分布在5～25μm的粉末做为冷喷涂用原始粉末材料。
(2)镁合金基体表面处理：采用400～1200号金相砂纸对镁合金表面进行打磨，然后用丙酮或酒精对工件表面进行清洗，去除油污和表面氧化皮，以提高涂层与基体的结合强度。
(3)非晶合金涂层的制备:
第一步，采用电子天平称取粒径为5～25μm的原始Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末1.5～3千克，然后将粉末放入真空干燥箱内，抽真空至10-2～10-3Pa，干燥温度设定为60～100℃，时间为8～12小时。
第二步，将原始粉末从真空干燥箱取出后，放入冷喷涂系统的送粉器中。送粉器的低端漏槽处，选取60～120目的过滤网筛。送粉器的一端与高压气体罐相连接，冷喷涂用高压气体采用氮气或氦气，气体压力为1.5～3MPa，当实施时，该高压气体被加热到200～550℃后进入到送粉器，在该高压气体的作用下，合金粉末被加速向另一端移动。喷枪出口处与镁合金基体表面的距离为10～30mm，喷枪移动速度为100mm/min，送粉量控制在10～12g/min。
喷涂过程中，粉末粒子被高压气体加速到500～1200m/s的速度范围内。粉末粒子的温度<150℃，整个喷涂过程中Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末保持为固体状态，无熔化现象，因而非晶合金粉末无氧化和相变现象。高速飞行的粒子与基体表面高速碰撞后沉积为涂层，涂层材料保留有与原始粉末一致的非晶态结构。所制备的Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末涂层厚度为300～1000μm。
实施案例一：
(1)采用400号金相砂纸对镁合金进行预打磨，达到表面平整，去除表面氧化皮。然后依次用600号和1200号金相砂纸进行打磨处理，最后用酒精对基体样品进行超声波振荡清洗5分钟，取出后烘干。
(2)采用电子天平称取粒径分布在5～25μm的Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末2千克。将粉末放入真空干燥箱内，抽真空至0.5×10-3Pa，干燥温度设定为80℃，时间为10小时。
(3)将干燥后的粉末倒入送粉器中，低端漏槽处使用80目的过滤筛网。送粉器与高压气体罐相连接，气体为纯度>99.9％的氦气，气体压力为2MPa，气体加热器温度设定为300℃。喷枪出口处与AZ91D镁合金基体表面距离为12mm，喷枪移动速度为100mm/min，送粉率为10g/min。经过多道次喷涂后，所制备的Al85Y10Ni5铝基非晶合金涂层的厚度为～500μm。
图1为涂层与基体的截面扫描电镜照片，涂层与基体间的界面结合良好，涂层内部的孔隙率较低。图2为涂层材料与原始粉末材料的XRD分析曲线，可以看出涂层的衍射曲线具有的非晶结构漫散射峰，与原始粉末材料保持了一致的非晶态结构。

Claims (9)

1.一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)取粒径为5～25μm的Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末，在真空干燥箱内于60～100℃干燥8～12小时，其中，干燥箱抽真空为10-2～10-3Pa；
(2)将步骤(1)的合金粉末放入冷喷涂系统中，以高压气体为气源，气体压力为1.5～3MPa，控制送粉量为10～12g/min，保证合金粉末的以速度500～1200m/s喷出喷枪，整个喷涂过程中铝基非晶合金粉末保持为固体状态，无氧化和相变现象。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的Al85Y10Ni5铝基非晶合金粉末采用气体雾化法制备而得。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：镁合金表面经打磨、清洗、去油污和表面氧化皮后参与冷喷涂工艺。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：镁合金表面采用超声波振荡清洗。
5.根据权利要求1所述的一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的冷喷涂的气体采用氮气或氦气。
6.根据权利要求1所述的一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的冷喷涂中，高压气体的加热温度为200-550℃。
7.根据权利要求1所述的一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：所述的冷喷涂中，喷枪出口与镁合金基体表面的距离控制在10-30mm。
8.根据权利要求1所述的一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：喷枪的移动速度为100mm/min。
9.根据权利要求1所述的一种镁合金表面非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：所制备的非晶合金粉末涂层厚度为300～1000μm。
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