CN107937857A - 一种7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层及其制备方法 - Google Patents
一种7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层及其制备方法，所述复合涂层由底层和面层组成，底层为WC‑Co材料，面层为WC‑10Co4Cr材料。所述制备方法步骤是铝合金表面清洗除油粗化；在压缩空气10000～11000升/分钟，丙烯或丙烷100～150升/分钟，氮气9～12升/分钟，氢气10～15升/分钟，送粉速率100～150克/分钟，喷涂距离180～210毫米条件下，超音速火焰喷涂分别制备底层WC‑Co和面层WC‑10Co4Cr；用150～600#金刚石砂轮研磨至工件设计尺寸，再采用60微米、30微米、15微米、8微米、2微米、0.5微米金刚石砂带逐级抛光面层至所需的光亮度。所述复合涂层可显著增强7075铝合金的耐磨与防腐性，适用于承受载荷或长期服役于海洋性气候下的高强铝合金表面处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层及其制备方法，属于材料表面处理技术领域。
背景技术
7075铝合金是高强变形铝合金，具有比强度高、断裂韧性好、加工性能及焊接性能优良等一系列优点，在车辆、船舶领域有着广泛的用途，尤其是在航空航天领域更是不可或缺的材料，广泛用于制造飞机的主要受力零件，如大梁、桁条、翼肋、起落架、倾斜器等零部件。与其他牌号铝合金相比，高强铝合金的腐蚀问题更为突出，容易发生点蚀、晶间腐蚀、剥落腐蚀等，进而严重降低飞机的疲劳性能。
为提高7075铝合金关键部件的表面耐磨、防腐及抗疲劳性能，目前国际上推行采用爆炸喷涂或超音速火焰喷涂技术替代传统电镀硬铬技术进行表面防护，如喷涂WC-Co类涂层材料来增强7075铝合金的机械性能和抗电化学腐蚀性能，但结果表明WC-Co类材料对提高7075铝合金耐磨性方面效果良好，但抗腐蚀性能并不理想（M. Couto, et.al,Comparison of the mechanical and electrochemical properties of WC-17 and 12Cocoatings onto Al7075-T6 obtained by high velocity oxy-fuel and cold gasspraying,《Surface & Coatings Technology》,268 (2015) 180-189）。后有研究者对WC-Co材料进行改进，以纳米粉末替代常规喷涂粉末制备了纳米WC-Co涂层，但其对涂层抗腐蚀性能的提高仍不显著（A. Lekatou, et.al, A comparative study on themicrostructure and surface property evaluation of coatings produced fromnanostructured and conventional WC–Co powders HVOF-sprayed on Al7075,《Surface& Coatings Technology》,276 (2015) 539-556）。在WC-Co金属陶瓷材料中添加一定量的Cr，制备了WC-10Co4Cr喷涂材料，具有钝化特性，在保持高硬度高耐磨性的同时提高了涂层的耐腐蚀性能，是目前钢铁部件广泛应用的防护涂层。在7075高强铝合金表面喷涂WC-10Co4Cr涂层后结果表明，能显著提高铝合金基材的抗疲劳性能（E.S. Puchi-Cabrera,et.al, Fatigue behavior of AA7075-T6 aluminum alloy coated with a WC-10Co4Crcermet by HVOF thermal spray, 《Surface & Coatings Technology》, 220 (2013)122–130），但长期服役后的抗腐蚀性能不够理想。
近年来，随着航空装备轻量化及近海活动的增加，一些航空部件采用7075铝合金制造，再采用热喷涂技术喷涂单一的WC-Co或WC-CoCr涂层进行表面防护，当这些部件服役于海洋气候或承受载荷时，涂层表面出现了严重的腐蚀鼓泡现象，极大地缩短了涂层的使用寿命，甚至易引发机械故障。这是由于热喷涂涂层不可避免地会存在各种微裂纹、孔隙等缺陷，这些微观缺陷在外加载荷下会不断扩展。由于涂层本身的腐蚀速率极低，腐蚀介质（水汽、盐雾等）会不断渗入基体，而7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，电极电位较负，腐蚀介质渗入后涂层与基体形成电偶腐蚀，反而加速了7075铝合金的腐蚀速率，造成了涂层的鼓泡与剥落现象。
发明内容
本发明的目的是在充分挖掘现有WC基金属陶瓷涂层材料的性能优势，通过制备具有底层和面层的复合涂层结构，降低WC-CoCr涂层与7075铝合金基体之间的电偶腐蚀效应，在保持原有WC基金属陶瓷涂层的耐磨性与抗疲劳性能优势下，大幅增强涂层体系的抗腐蚀性能，避免腐蚀鼓泡与剥落现象，使其能够长期服役于载荷条件或海洋性腐蚀环境下。
本申请的具体技术方案如下：
一种7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层，包括底层和面层，所述底层为WC-Co材料，按%重量计的成分：Co=10.5～18.0，C=4.9～5.3，Fe≤0.2及余量W；所述面层为WC-10Co4Cr材料，按%重量计的成分：Co=9.0～11.0，Cr=3.0～5.0，C=5.0～6.0，Fe≤0.3及余量W。
所述复合涂层通过超音速火焰喷涂得到，底层厚度在20～100微米，面层厚度在50～200微米。
具体操作步骤如下：
对清洗除油后的工件表面，采用吹砂或金刚石砂纸打磨方式进行表面粗化，处理后表面粗糙度Ra控制在3～6微米。
喷涂底层和面层，底层为WC-Co材料，按%重量计的成分：Co=10.5～18.0，C=4.9～5.3，Fe≤0.2及余量W；面层为WC-10Co4Cr材料，按%重量计的成分：Co=9.0～11.0，Cr=3.0～5.0，C=5.0～6.0，Fe≤0.3及余量W；采用超音速火焰喷涂，喷涂底层和面层的工艺参数为：压缩空气10000～11000升/分钟，丙烯/丙烷100～150升/分钟，氮气9～12升/分钟，氢气10～15升/分钟，送粉速率100～150克/分钟，喷涂距离180～210毫米，底层厚度在20～100微米，面层厚度在50～200微米。
对面层进行研磨抛光，先用150～600#金刚石砂轮研磨至工件设计尺寸，再采用60微米、30微米、15微米、8微米、2微米、0.5微米金刚石砂带逐级抛光至所需的光亮度。
与现有相比，本发明具有以下显著的优点：
1．采用不耐蚀的WC-Co材料作底层，缩减了WC-CoCr材料与7075铝合金材料的电位差异，同时当腐蚀介质到达底层/面层界面时，其腐蚀产物可填充腐蚀通道，阻挡腐蚀介质进一步向铝材渗透，减少了7075铝合金发生电偶腐蚀的概率和速率。
2. 面层和底层材料性质相近，在热喷涂沉积过程中结合性能优良，涂层结合强度高。
3. 采用所述的复合涂层对7075高强铝进行表面防护，可明显提高高强铝的的耐磨耐蚀性，涂层产品长期服役于载荷条件或海洋盐雾大气后无明显的腐蚀、鼓泡或剥落行为。
附图说明
图1是采用本实施方案在7075铝合金表面制备的防腐蚀耐磨复合涂层。
图2是不同材料的开路电位测试结果：1-7075铝合金基材，2-实施例2中的底层，3-实施例3中的底层，4-实施例1中的底层，5-WC-10Co4Cr涂层。
图3是对比试样A经72小时盐雾试验后表面形貌。
图4是对比试样A经960小时盐雾试验后表面形貌。
图5是对比试样B经72小时盐雾试验后表面形貌。
图6是对比试样B经960小时盐雾试验后表面形貌。
图7是实施例1经72小时盐雾试验后表面形貌。
图8是实施例1经960小时盐雾试验后表面形貌。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，实施例中给出了实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
对清洗除油后的试样表面采用吹砂进行表面粗化，吹砂后表面粗糙度Ra=6.0µm。
喷涂底层和面层，底层为WC-Co材料，按%重量计的成分：Co=10.5，C=5.2，Fe≤0.2及余量W；面层为WC-10Co4Cr材料，按%重量计的成分：Co=9.0，Cr=5.0，C=5.0，Fe≤0.3及余量W；采用超音速火焰喷涂，喷涂工艺参数为：压缩空气10000升/分钟，丙烯100升/分钟，氮气9升/分钟，氢气10升/分钟，送粉速率100克/分钟，喷涂距离180毫米，底层厚度为20微米，面层厚度为100微米。
先用150～600#金刚石砂轮将涂层研磨后，再分别用60微米、30微米、15微米、8微米和2微米金刚石砂带抛光。
实施例2
对清洗除油后的试样表面采用吹砂进行表面粗化，吹砂后表面粗糙度Ra=4.5µm。
喷涂底层和面层，底层为WC-Co材料，按%重量计的成分：Co=18.0，C=4.9，Fe≤0.2及余量W；面层为WC-10Co4Cr材料，按%重量计的成分：Co=11.0，Cr=3.0，C=6.0，Fe≤0.3及余量W；采用超音速火焰喷涂，喷涂工艺参数为：压缩空气11000升/分钟，丙烷150升/分钟，氮气12升/分钟，氢气15升/分钟，送粉速率150克/分钟，喷涂距离210毫米，底层厚度为100微米，面层厚度为50微米。
先用150～600#金刚石砂轮将涂层研磨后，再分别用60微米、15微米和2微米金刚石砂带抛光。
实施例3
本实施例针对实际产品进行表面处理，应用部件为直升机倾斜器中的铝合金导筒。
清洗除油后的工件表面采用30um金刚石砂纸进行打磨，打磨后表面粗糙度Ra=3.0µm。
喷涂底层和面层，底层为WC-Co材料，按%重量计的成分：Co=14.8，C=5.3，Fe≤0.03及余量W；面层为WC-10Co4Cr材料，按%重量计的成分：Co=10.4，Cr=4.7，C=5.2，Fe≤0.3及余量W；采用超音速火焰喷涂，喷涂工艺参数为：压缩空气10500升/分钟，丙烯120升/分钟，氮气9升/分钟，氢气15升/分钟，送粉速率120克/分钟，喷涂距离190毫米，底层厚度为100微米，面层厚度为200微米。
先用150～600#金刚石砂轮将涂层研磨至固定尺寸后，再分别用60微米、30微米、15微米、8微米、2微米、0.5微米金刚石砂带抛光。
针对上述实施例，对复合防护涂层的关键性能进行测试，包括：涂层的结合强度测试遵照GBT8642-88《金属热喷涂层结合强度的测定》进行；涂层的显微硬度测试依照GBT/4342-1991《金属显微维氏硬度试验方法》进行；涂层的耐腐蚀性能遵照GBT10125-1997《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》GBT 6461-2002《金属基体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀试验后的试样和试件的评级》进行。对实施例3进行装机后的外场考核，外场环境为某沿海地区，对设备进行定期检修时观察与记录涂层鼓泡出现的时间。
同时为对比本技术方案的实施效果，将在7075铝合金表面直接喷涂WC-Co涂层的试样A、直接喷涂WC-10Co4Cr涂层的试样B及电镀铬的试样C进行对比，各样品的检测结果如表1所示。
表1 各样品的性能测试结果
Claims (7)
1.一种7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层及其制备方法，其特征在于：所述复合涂层由底层和面层组成，底层为WC-Co材料，面层为WC-10Co4Cr材料。
2.根据权利要求1所述的7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层，其特征在于：所述复合涂层的底层WC-Co材料按%重量计的成分：Co=10.5～18.0，C=4.9～5.3，Fe≤0.2及余量W，粒度15～45微米。
3.根据权利要求1所述的7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层，其特征在于：所述复合涂层的面层WC-10Co4Cr材料按%重量计的成分：Co=9.0～11.0，Cr=3.0～5.0，C=5.0～6.0，Fe≤0.3及余量W，粒度15～45微米。
4.一种权利要求1所述的7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于：由以下步骤组成：铝合金表面清洗除油粗化，采用超音速火焰喷涂制备底层WC-Co和面层WC-10Co4Cr以及面层研磨抛光。
5.根据权利要求4所述的7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于：所述铝合金表面清洗除油粗化方法是表面清洗除油，吹砂或金刚石砂纸打磨表面，粗化至表面粗糙度Ra 3～6微米。
6.根据权利要求4所述的7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于：超音速火焰喷涂分别制备底层WC-Co和面层WC-10Co4Cr的方法为：压缩空气10000～11000升/分钟，丙烯或丙烷100～150升/分钟，氮气9～12升/分钟，氢气10～15升/分钟，送粉速率100～150克/分钟，喷涂距离180～210毫米，底层厚度在20～100微米，面层厚度在50～200微米。
7.根据权利要求4所述的7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于：所述面层研磨抛光的方法是先用150～600#金刚石砂轮研磨至工件设计尺寸，再采用60微米、30微米、15微米、8微米、2微米、0.5微米金刚石砂带逐级抛光至所需的光亮度。
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