CN107761038A - 一种低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层及其制备装置和制备方法 - Google Patents

一种低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层及其制备装置和制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层及其制备装置和制备方法，属于非晶合金涂层技术领域。本发明采用铝基非晶合金成分体系(Al‑TM‑RE)，粉末粒径5‑25μm，采用本制备技术制备获得的铝基非晶‑纳米晶合金涂层，提高了喷涂过程中高速液流碰撞基板后的冷却速率，所获得的涂层兼具高耐磨、耐蚀的特性，非晶度超过85％，涂层厚度100μm‑250μm、孔隙率≤0.5％、结合强度≥40MPa，同时在5000s内磨损量≤0.25mm3，涂层硬度≥350HV，并且在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电位≥‑0.3VSCE，具有很强的抗局部腐蚀能力。

Description

一种低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层及其制备装置和制 备方法
技术领域
本发明涉及非晶涂层技术领域，具体涉及一种低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层及其制备装置和制备方法。
背景技术
铝合金材料作为轻质金属材料中的佼佼者，其在航空航天以及军事等领域应用广泛，铝合金材料可以大幅度降低装备的自身重量并提高装备的机动性能及整体战技性能，且其成本低廉，是极具市场潜质的工程构件材料，深受各国科学家的喜爱。
而对比传统铝合金材料，铝基非晶合金具有远超于传统铝合金的性能，例如低密度、高强度、高韧性、超塑性和优异的耐蚀性等一系列优点，是一种应用前景更加广阔的新型金属材料。然而其有限的非晶形成能力极大地限制了它的发展应用，且铝基非晶合金室温下塑性变形能力较差，这都限制了其作为结构材料的应用。因此，通过喷涂制备技术获得铝基非晶涂层是解决上述问题的一种有效途径，铝基非晶涂层可保持铝基非晶合金良好的耐磨性能，并同时兼具高硬度、高耐蚀性能，是舰船防护以及其他苛刻环境要求下的最佳选择。
而目前制备铝基非晶合金涂层的主要技术即是超音速火焰喷涂(HVAF)，HVAF提高了熔滴射流速度和降低了颗粒的过热程度，更容易得到具有非晶结构的涂层。目前通过HVAF制备的铁基非晶涂层具有孔隙率低、髙硬度、涂层与基体结合强度高、抗磨损性好等优点，但是针对形成能力极低的铝基非晶涂层的制备，如何保证液流的冷却速率超过临界值，获得高非晶度的铝基非晶涂层，同时保证铝基非晶涂层具备低孔隙率及高耐磨等性能，一直是铝基非晶合金涂层制备的难点。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层及其制备装置和制备方法，所制备的涂层兼具高耐磨、耐蚀的特性，该制备技术通过设计基板旋转结构，保证在喷涂过程中高速液流与基板接触后，通过基板的高速旋转来实现液流的充分散热，使液流的冷却速率超过形成铝基非晶合金的临界冷却速率，大幅提高涂层的非晶度。同时，旋转基板的安装角度及旋转线速度的控制又能提高液流的利用率，降低涂层的孔隙率，同时保持高耐磨耐蚀以及高硬度性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备装置，该装置为喷涂设备，该喷涂设备包括喷涂基板和旋转杆，所述喷涂基板平行于旋转杆轴向且能够以旋转杆为轴进行旋转运动。
所述喷涂设备还包括连接杆、旋转杆升降装置、旋转装置和喷枪；其中：所述喷涂基板通过连接杆固定在旋转杆上，连接杆垂直于旋转杆和喷涂基板；所述旋转杆升降装置用于调整旋转杆的高度，所述旋转装置用于控制旋转杆并使喷涂基板按照设定的线速度进行旋转运动；所述喷枪内开设气体通道和射流通道，高速射流熔液经喷枪内的射流通道喷射到喷涂基板上。
所述连接杆的一端固定(通过固定卡口)于所述旋转杆上，另一端设有垂直于连接杆轴向的不锈钢板，所述喷涂基板通过螺柱固定于不锈钢板上。
所述喷涂基板的数量为优选为6个，围绕旋转杆呈等高度和等角度分布；所述连接轴为不锈钢材质，长度为50mm；每个喷涂基板宽度为20mm。
本发明还提供利用上述装置制备低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的方法，该方法首先按照Al-TM-RE系非晶合金的化学成分进行配料，选取的原料粉末粒径范围为5-25μm；然后利用所述喷涂设备和超音速火焰喷涂(HVAF)技术制备所述铝基非晶涂层。该方法具体包括如下步骤：
(1)开启旋转杆升降装置，通过调整旋转杆使连接杆的高度与喷枪中心平齐；
(2)通过旋转装置设定喷涂基板的旋转角速度，将其旋转角速度调至10-14rad/s，(即连接杆与喷涂基板连接处的线速度为500-800mm/s)；
(3)设定喷涂温度、送粉速率、喷涂距离及气体压力；
(4)开始喷涂，通过匀速旋转喷涂基板并配合喷枪的匀速移动，实时观测液流与基板接触位置，调节喷涂速率以及旋转基板的高度，保证较高的液流利用率，获得良好致密的涂层。
所述喷涂过程中，选用AK-05A喷枪，送粉速率3r/min。
所述Al-TM-RE系非晶合金中，Al元素含量大于80wt.％，TM为Fe、Co、Ni或Cu，RE为稀土元素。
所制备的涂层兼具高耐磨、耐蚀的特性，涂层孔隙率≤0.5％。所述铝基非晶涂层的非晶度≥70％，涂层与基材的结合强度≥40MPa，同时在5000s内磨损量≤0.25mm3，涂层硬度≥350HV，并且在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电位≥-0.3VSCE，具有较强的抗局部腐蚀能力。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明制备技术采用独立旋转基板结构，基板与旋转杆之间通过不锈钢连接轴连接，连接轴一端设有不锈钢板，与基板通过螺栓结构固定。同时旋转杆上优选连接六个连接轴，相邻两个连接轴之间的夹角为60°，连接杆与基板连接点的旋转线速度最高可达800mm/s，同时选择每个基板宽度为20mm。同时，旋转杆高度可调，在制备涂层开始前将连接轴高度调整至与喷枪中心平齐。通过匀速旋转基板并配合喷枪的匀速移动制备涂层。本制备技术提高了喷涂液流的利用率并使得最终获得的涂层孔隙率≤0.5％。
2、本发明制备获得的铝基非晶涂层结合强度≥40MPa，同时在5000s内磨损量≤0.25mm3，涂层硬度≥350HV，并且在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电位≥-0.3VSCE，具有较强的抗局部腐蚀能力。
3、本发明制备技术提高了喷涂过程中高速液流与基板的散热，将液流的冷却速率提升甚至超过铝基非晶合金临界冷却速率，所制备获得的铝基非晶涂层非晶度≥70％，本发明对其他非晶合金涂层的制备提供指导。
附图说明
图1为本发明制备铝基非晶涂层的装置结构示意图。
图2为本发明制备铝基非晶涂层时采用的铝基非晶合金粉末SEM图。
图3为本发明采用800mm/s旋转线速度获得的铝基非晶涂层XRD图谱。
图4为本发明采用700mm/s旋转线速度获得的铝基非晶涂层XRD图谱。
图5为本发明采用600mm/s旋转线速度获得的铝基非晶涂层XRD图谱。
图6为本发明制备获得Al基非晶涂层表面及截面形貌图；其中：(a)涂层表面；(b)涂层截面。
图7为本发明制备技术获得的Al基非晶涂层及基体的磨损后形貌对比图；其中：(a)涂层；(b)基体。
图8为本发明制备获得的Al基非晶涂层及基体的磨损深度及磨损量对比图；其中：(a)磨损深度；(b)磨损量。
图9为本发明制备获得的Al基非晶涂层及基体的腐蚀极化曲线对比图。
图10为本发明制备获得的Al基非晶涂层及基体的硬度对比图。
图中：1-气体通道；2-喷枪；3-高速射流熔液；4-喷涂基板；5-旋转杆升降装置；6-不锈钢板；7-连接杆；8-旋转杆。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明采用特定结构的喷涂设备和喷涂工艺制备了低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层，该涂层兼具高耐磨、耐蚀的特性，制备的涂层孔隙率≤0.5％。
本发明制备低孔隙率和高非晶度铝基非晶涂层的装置为喷涂设备，该设备是在传统喷涂设备基础上通过设置旋转基板提高射流熔液的散热，提高熔液的冷却速率而最终提高Al基非晶涂层的非晶度及性能指标，增加涂层的致密性而减小孔隙率，同时诱发铝基非晶涂层的高耐磨耐蚀性能。如图1所示，该喷涂设备包括喷涂基板4、旋转杆8、连接杆7、旋转杆升降装置5、旋转装置和喷枪2。所述喷涂基板4平行于旋转杆8轴向且能够以旋转杆8为轴进行旋转运动。喷涂基板4通过连接杆7固定在旋转杆8上，具体为：连接杆7的一端通过固定卡口固定于所述旋转杆8上，另一端设有垂直于连接杆轴向的不锈钢板6，所述喷涂基板通过螺栓固定于不锈钢板6上；所述连接杆垂直于旋转杆和喷涂基板。
使用时，通过所述旋转杆升降装置调整旋转杆的高度，使喷枪喷出的高速射流熔液3喷射至喷涂基板上；通过旋转装置控制旋转杆的旋转，从而使喷涂基板按照设定的角速度进行旋转运动(对应于连接杆与基板连接点的线速度为500-800mm/s)；所述喷枪内开设气体通道1和射流通道，在气体通道1内通入喷涂时用的高速气体，高速射流熔液3经喷枪内的射流通道喷射到喷涂基板上，通过基板的高速旋转提高自身的冷却速率，最终获得低孔隙率、高性能高非晶度的铝基非晶涂层。
所述喷涂基板的数量为优选为6个，围绕旋转杆呈等高度和等角度分布；所述连接杆为不锈钢材质，长度为50mm；每个喷涂基板宽度为20mm。
实施例1：
本实施例是利用上述喷涂设备制备低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层，本实施例在喷涂时采用传统的喷涂工艺中的喷涂参数，例如，喷涂距离175mm，送粉速率3r/min，表面粗糙度11Ra，空气102.5PSI，丙烷95PSI。具体步骤如下：
(1)开启旋转杆升降装置，旋转杆与基板连接轴高度调整至与喷枪中心平齐；
(2)开启旋转装置，设定基板旋转速度，将旋转线速度(连接杆与基板连接处的线速度)调至800mm/s；
(3)设定喷涂温度、送粉速率、喷涂距离及气体压力等，调节最佳喷涂工艺；
(4)开始喷涂，实时观测液流与基板接触位置，调节喷涂速率以及旋转基板的高度，保证较高的液流利用率，获得良好致密的涂层。
本制备技术中采用的铝基非晶合金粉末形貌如图2；制备的Al基非晶涂层的表面及截面形貌如图6所示，通过SEM图谱分析可以看出本涂层表面的粉末熔化状态良好，而通过截面形貌分析也可以得知本制备技术获得的Al基非晶涂层孔隙率极低，致密性良好。通过本发明的制备技术，可以提高高速射流熔液与基板接触后的冷却速率，分析非晶度的XRD图谱如图3所示，可得出本涂层非晶度超过70％，并且内部仅有纳米级别的α-Al相存在。同时，通过本制备技术获得的Al基非晶涂层，其耐磨性能的分析如图7和图8所示，图7为本发明制备技术获得的Al基非晶涂层及基体的磨损后形貌对比图，可以明显看出，基体经过磨损实验过后，表面形貌受损严重，而对比基体，通过本制备技术获得的Al基非晶涂层表面基本未出现明显磨损，结合图8的的Al基非晶涂层及基体的磨损深度及磨损量对比图，可以更明显看出，基体的磨损深度为150μm，而本制备技术获得的Al基非晶涂层的磨损深度为50μm，同时基体的磨损量超过1.0mm3，而本制备技术获得的Al基非晶涂层的磨损量≤0.25mm3，充分证明本涂层的高耐磨性能。
通过本制备技术获得的Al基非晶涂层，其腐蚀性能的测试如图9所示，可以看出，在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电位≥-0.3VSCE，较比基体，本涂层具有较强的抗局部腐蚀能力。同时本发明制备获得的Al基非晶涂层及基体的硬度对比如图10所示，可以看出，本涂层的硬度值≥350HV。
本发明制备技术的最优工艺条件为卡口角度60°，旋转杆旋转线速度800mm/s，连接杆长度为50mm，喷枪选用AK-05A。
实施例2：
与实施例1不同之处在于：旋转杆旋转角速度14rad/s即线速度为700mm/s时，制备获得的Al基非晶涂层，孔隙较多且最终获得的样品非晶度低，具体分析如图4所示。
实施例3：
与实施例1不同之处在于：旋转杆旋转角速度12rad/s即线速度为600mm/s时，制备获得的Al基非晶涂层，缺陷较多，且最终获得的涂层中出现大量晶体相，具体分析如图5所示。
实施例4：
与实施例1不同之处在于：卡口角度为90°时，共设四根连接杆连接四块基板，制备过程中，高速射流熔液利用率较低，且最终获得的涂层中孔隙较多且非晶度低。
实施例5：
与实施例1不同之处在于：卡口角度为180°时，共设两根连接杆连接四块基板，制备过程中，高速射流熔液损耗极高，且最终获得的涂层中孔隙较多且非晶度低。
实施例6：
与实施例1不同之处在于：连接杆长度为100mm时，最终获得的涂层样品中无完全非晶区，且样品散热不佳，耐磨耐蚀性能低。
实施例7：
与实施例1不同之处在于：与连接杆长度为150mm时，基板旋转线速度下降，导致熔液冷却速率低，最终涂层样品非晶度极低，耐磨耐蚀性能大幅度下降。
实施例8：
与实施例1不同之处在于：当选用粉末粒径范围为15-45μm时，由于粉末粒径大，制备获得的涂层表面熔化状态不佳，有部分大颗粒出现未熔化现象，而涂层中存在大量晶体相，最终获得的Al基非晶涂层耐磨性能不足且硬度低。
通过以上实施例与对比例看出，本制备技术采用的粉末粒径为5-25μm，该制备技术采用独立旋转基板结构，基板与旋转杆之间通过不锈钢连接轴连接，连接轴顶部设有不锈钢板，与基板通过螺栓结构固定。同时旋转杆上共设有6处卡口，每处卡口之间的夹角为60°，旋转轴旋转线速度最高可达800mm/s，同时选择每个基板宽度为20mm。同时，旋转杆高度可调，在制备涂层开始前将旋转杆与基板连接轴高度调整至与喷枪中心平齐。通过匀速旋转基板并配合喷枪的匀速移动，本制备技术提高了喷涂液流的利用率，同时通过高速旋转结构提高熔液接触基板后的冷却速率，而使得最终获得的涂层非晶度超过70％，涂层厚度100μm-250μm、孔隙率≤0.5％、结合强度≥40MPa，同时在5000s内磨损量≤0.25mm3，涂层硬度≥350HV，并且在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电位≥-0.3VSCE，具有很强的抗局部腐蚀能力。本制备技术也为其他体系非晶合金涂层的制备提供指导。

Claims (10)

1.一种低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备装置，其特征在于：该装置为喷涂设备，该喷涂设备包括喷涂基板和旋转杆，所述喷涂基板平行于旋转杆轴向且能够以旋转杆为轴进行旋转运动。
2.根据权利要求1所述的低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备装置，其特征在于：所述喷涂设备还包括连接杆、旋转杆升降装置、旋转装置和喷枪；其中：所述喷涂基板通过连接杆固定在旋转杆上，连接杆垂直于旋转杆和喷涂基板；所述旋转杆升降装置用于调整旋转杆的高度，所述旋转装置用于控制旋转杆并使喷涂基板按照设定的角速度进行旋转运动；所述喷枪内开设气体通道和射流通道，高速射流熔液经喷枪内的射流通道喷射到喷涂基板上。
3.根据权利要求2所述的低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备装置，其特征在于：所述连接杆的一端固定于所述旋转杆上，另一端设有垂直于连接杆轴向的不锈钢板，所述喷涂基板通过螺柱固定于不锈钢板上。
4.根据权利要求1所述的低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备装置，其特征在于：所述喷涂基板的数量为6个，围绕旋转杆呈等高度和等角度分布；所述连接轴为不锈钢材质，长度为50mm；每个喷涂基板宽度为20mm。
5.利用权利要求1-4任一所述装置进行低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备方法，其特征在于：该方法首先按照Al-TM-RE系非晶合金的化学成分进行配料，选取的原料粉末粒径范围为5-25μm；然后利用所述喷涂设备和超音速火焰喷涂技术制备所述铝基非晶涂层。
6.根据权利要求5所述的低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
(1)开启旋转杆升降装置，通过调整旋转杆使连接杆的高度与喷枪中心平齐；
(2)通过旋转装置设定喷涂基板的旋转角速度，将其旋转角速度调至10-14rad/s；
(3)设定喷涂温度、送粉速率、喷涂距离及气体压力；
(4)开始喷涂，通过匀速旋转喷涂基板并配合喷枪的匀速移动，实时观测液流与基板接触位置，调节喷涂速率以及旋转基板的高度，保证较高的液流利用率，获得良好致密的涂层。
7.根据权利要求6所述的低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备方法，其特征在于：所述喷涂过程中，选用AK-05A喷枪，送粉速率3r/min。
8.根据权利要求6所述的低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层的制备方法，其特征在于：所述Al-TM-RE系非晶合金中，Al元素含量大于80wt.％，TM为Fe、Co、Ni或Cu，RE为稀土元素。
9.利用权利要求6所述方法制备的低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层，其特征在于：该涂层兼具高耐磨、耐蚀的特性，涂层孔隙率≤0.5％。
10.根据权利要求9所述的低孔隙率和高非晶度的铝基非晶涂层，其特征在于：所述铝基非晶涂层的非晶度≥70％，涂层与基材的结合强度≥40MPa，同时在5000s内磨损量≤0.25mm3，涂层硬度≥350HV，并且在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电位≥-0.3VSCE，具有较强的抗局部腐蚀能力。
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