CN109468570A - 一种复合金属合金涂覆层的制备方法及喷涂设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合金属合金涂覆层的制备方法及喷涂设备，其属于表面工程技术领域。该复合金属合金涂覆层包括相连接的第一涂层和第二涂层，方法包括步骤1)、步骤2)和步骤3)，步骤1)为以Cu合金、Al合金或者Zn合金作为热喷涂原料粉末，将熔融状态下的热喷涂原料粉末以第一预设速度喷向预处理的基材的表面，以形成所述第一涂层；步骤2)为将不锈钢粉末放在烤箱内烘烤不少于2小时，以使不锈钢粉末之间消除磁性；步骤3)为以消磁后的不锈钢粉末作为冷喷涂原料粉末，将冷喷涂原料粉末以第二预设速度喷向第一涂层的外表面，以形成第二涂层。利用步骤1)～步骤3)通过冷热喷涂法，将不锈钢粉喷涂在基材上，提高了基材的表面性能。

Description

一种复合金属合金涂覆层的制备方法及喷涂设备
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，尤其涉及一种复合金属合金涂覆层的制备方法及喷涂设备。
背景技术
表面工程技术应用于航空、军工、电子、通讯、交通、机械加工领域，具体适用于金属或非金属零部件的外表面和内腔的表面处理加工。常用的表面处理技术有热喷涂和冷喷涂技术。
热喷涂技术是一种采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，将粉末状或丝状的金属、合金、陶瓷、氧化物、碳化物、塑料、尼龙以及它们的复合材料，加热到熔融或半熔融状态，通过热源自身的动力，或外加高速气流使其雾化，以一定的速度喷向经过预处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法；冷喷涂是将粉末材料以超音速流保持原来固相状态使其冲击向基材而形成皮膜的一种技术，在超音速冲击下的粉末材料，超越临界速度的粒子本体会产生塑性变形而形成皮膜。材料不会受热的影响而产生特性变化，皮膜的氧化可以控制到最小限度。
不锈钢粉有良好的耐腐蚀性和耐久力，其圆球粒子可以平行涂膜表面定位并且分布在整个涂膜中，形成具有优良遮盖力的屏蔽层，把湿气挡住。现有技术中将不锈钢粉作为涂层涂覆在基材上的方法主要有真空镀膜、真空溅镀和真空电镀等。而采用真空镀膜时，由于不锈钢粉的黏附性比较差，涂层容易脱落；真空溅镀时，不锈钢粉的喷涂对靶材要求较高，且镀膜表面容易划伤；真空电镀时产生的废气和废水对环境具有一定的污染。
因此，亟需一种复合金属合金涂覆层的制备方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种复合金属合金涂覆层的制备方法，实现对不锈钢粉的冷喷涂，以提高基材的表面质量。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种复合金属合金涂覆层的制备方法，所述复合金属合金涂覆层包括相连接的第一涂层和第二涂层，所述制备方法包括：
步骤1)、以Cu合金、Al合金或者Zn合金作为热喷涂原料粉末，将熔融状态下的所述热喷涂原料粉末以第一预设速度喷向预处理的基材的表面，以形成所述第一涂层；
步骤2)、将不锈钢粉末放在烤箱内烘烤不少于2小时，以使所述不锈钢粉末之间消除磁性；
步骤3)、以消磁后的所述不锈钢粉末作为冷喷涂原料粉末，将所述冷喷涂原料粉末以第二预设速度喷向所述第一涂层的外表面，以形成所述第二涂层。
作为上述复合金属合金涂覆层的制备方法的一种优选方案，所述不锈钢粉末的成分包括Fe、C、Ni、Cr、Cu、P和S；
其中，Fe:65％～68％；Ni：7％～10％；Cr:14％～19％；Cu：1％～5％；C：0～0.2％,P：0～0.1％,S：0～0.2％。
作为上述复合金属合金涂覆层的制备方法的一种优选方案，所述不锈钢粉末的颗粒半径为0.002mm～0.030mm。
作为上述复合金属合金涂覆层的制备方法的一种优选方案，
所述Cu合金的成分包括Cu、Zn、P、CuO和Sn，
其中，Cu：92％～96％；Zn：2％～6％；CuO：0.5％～3％；P：0.1％～0.5％；Sn：0.01％～2％；
所述Al合金的成分包括：Al、Al2O3、Fe、Mg、Si，
其中，AL：90％～95％；Al2O3：3％～5％；Fe：0.1％～2％；Mg：0.02％～0.4％；Si：0.05％～0.1％；
所述Zn合金的成分包括Zn和ZnO，
其中，Zn：95％～98％；ZnO：2％～5％。
作为上述复合金属合金涂覆层的制备方法的一种优选方案，所述步骤1)中均使用喷枪对所述热喷涂原料粉末进行喷射；
所述步骤2)中使用所述喷枪对所述冷喷涂原料粉末进行喷射，所述喷枪的工作气压为0.6～2.0MPa，所述第一预设速度和所述第二预设速度数值为600m/s～700m/s。
作为上述复合金属合金涂覆层的制备方法的一种优选方案，所述热喷涂原料粉末的初始温度为1200℃～2700℃，所述热喷涂原料粉末到达所述基材的表面时的温度为20℃～80℃。
作为上述复合金属合金涂覆层的制备方法的一种优选方案，所述第一涂层和所述第二涂层的厚度均为0.02～0.5mm。
作为上述复合金属合金涂覆层的制备方法的一种优选方案，所述复合金属合金涂覆层通过依次重复步骤1)和步骤2)得到。
作为上述复合金属合金涂覆层的制备方法的一种优选方案，所述基材的材质包括塑料、玻璃、陶瓷、金属、刚玉或者棉布材料。
本发明的另一个目的在于提供一种喷涂设备，可以使用一套喷涂设备同时实现冷喷涂和热喷涂，增加了设备的实用性。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种喷涂设备，采用如上所述的复合金属合金涂覆层的制备方法进行所述复合金属合金涂覆层的制备。
本发明的有益效果为：
本发明提出的复合金属合金涂覆层的制备方法，其中，复合金属合金涂覆层包括相连接的第一涂层和第二涂层，制备方法依次包括步骤1)、步骤2)和步骤3)，步骤1)为以Cu合金、Al合金或者Zn合金作为热喷涂原料粉末，将熔融状态下的热喷涂原料粉末以第一预设速度喷向预处理的基材的表面，以形成所述第一涂层；步骤2)为将不锈钢粉末放在烤箱内烘烤不少于2小时，以使不锈钢粉末之间消除磁性；步骤3)为以消磁后的不锈钢粉末作为冷喷涂原料粉末，将冷喷涂原料粉末以第二预设速度喷向第一涂层的外表面，以形成第二涂层。利用步骤1)将Cu合金、Al合金或者Zn合金喷涂在基材的表面形成一层具有塑性变形性能的第一涂层，再通过冷喷涂将不锈钢粉喷涂在第一涂层的外表面，形成表面更致密、表面质量更好的第二涂层，提高了基材的表面性能。
本发明提出的喷涂设备，包括如上所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，通过使用一套喷涂设备同时实现冷喷涂和热喷涂，增加了设备的实用性。
附图说明
图1是本发明提供的喷涂第二涂层时的工作状态示意图。
图中：
1、喷枪；2、基材；3、高速粒子流；4、第一涂层。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
目前表面工程技术包括真空镀膜、真空溅镀和真空电镀等，将不锈钢粉作为涂层涂覆在基材上的技术，以上三种方法存在涂层易脱落、对靶材要求高和具有污染等缺陷。因此，本实施例提供一种喷涂方法将不锈钢粉末喷涂在基材表面，以达到增强表面性能的目的。
本实施例提出的复合金属合金涂覆层的制备方法，其中，复合金属合金涂覆层包括相连接的第一涂层和第二涂层，制备方法依次包括步骤1)、步骤2)和步骤3)，步骤1)为以Cu合金、Al合金或者Zn合金作为热喷涂原料粉末，将熔融状态下的热喷涂原料粉末以第一预设速度喷向预处理的基材的表面，以形成所述第一涂层；步骤2)为将不锈钢粉末放在烤箱内烘烤不少于2小时，以使不锈钢粉末之间消除磁性；步骤3)为以消磁后的不锈钢粉末作为冷喷涂原料粉末，将冷喷涂原料粉末以第二预设速度喷向第一涂层的外表面，以形成第二涂层。利用步骤1)将Cu合金、Al合金或者Zn合金喷涂在基材的表面形成一层具有塑性变形性能的第一涂层，再通过冷喷涂将不锈钢粉喷涂在第一涂层的外表面，形成表面更致密、表面质量更好的第二涂层，提高了基材的表面性能。
如图1所示为本实施例提供的第二涂层时的工作状态示意图，包括喷枪1和工作台，工作台上放置有基材2，基材2上已经通过热喷涂喷涂好第一涂层，喷枪1内装有待冷喷涂的不锈钢粉末原料。通过喷枪1将不锈钢粉末原材料以高速粒子流3的形式喷涂在第一涂层4的表面上，形成第二涂层。
具体地，首先使用电弧或者等离子弧作为热源，将粉末状或丝状的Cu合金、Al合金或者Zn合金原料，通过喷枪1形成的高速气流使其雾化，以一定的速度喷向经过预处理的基材2的表面上，形成第一涂层4；然后通过喷枪1将粉末状的不锈钢粉末以高速状态喷射向第一涂层4，从而形成第二涂层，此时的第二涂层较第一涂层4更为致密。
在本实施例中，为了使热喷涂原料粉末和冷喷涂原料粉末获得一个较高的喷射速度，喷枪1的工作气压为0.6～2.0MPa，使得第一预设速度和第二预设速度数值为600m/s～700m/s。优选地，第一预设速度和第二预设速度的速度值为680m/s。
在热喷涂时，使用的Cu合金、Al合金或者Zn合金的组成成分及含量分别为：
Cu合金的成分包括：Cu、Zn、P、CuO、Sn，其中，Cu：92％～96％；Zn：2％～6％；CuO：0.5％～3％；P：0.1％～0.5％；Sn：0.01％～2％；
Al合金的成分包括：Al、Al2O3、Fe、Mg、Si，其中，AL：90％～95％；Al2O3：3％～5％；Fe：0.1％～2％；Mg：0.02％～0.4％；Si：0.05％～0.1％；
Zn合金的成分包括：Zn、ZnO，其中，Zn：95％～98％；ZnO：2％～5％。
首先将热喷涂原料粉末的加热到初始温度为1200℃～2700℃的熔融状态，然后经喷枪1将热喷涂原料粉末喷射到达基材2的表面时的温度为20℃～80℃。为了适应不同材质的基材2，故需要控制热喷涂粉末到达基材2表面的温度，以防造成对基材2表面的刮伤。在本实施例中，基材2的材质包括塑料、玻璃、陶瓷、金属、刚玉或者棉布材料等。以基材2的材质为塑料举例说明，因塑料材质(聚乙烯)的熔点在120℃～136℃，而在热喷涂时，需要将热喷涂原料粉末加热到1200℃～2700℃，在热喷涂原料到达塑料材质表面这个过程中，为了不伤害基材表面的质量，需要将热喷涂原料的温度控制在20℃～80℃，避免高温的热喷涂原料损伤基材表面的平整性。
在冷喷涂时，使用的不锈钢粉末的成分及各组分的含量分别为：
不锈钢粉末的成分包括：Fe、Ni、Cr、Cu、P、S、Mo；其中，Fe:65％～68％；Ni：7％～10％；Cr:14％～19％；Cu：1％～5％；C：0～0.2％,P：0～0.1％,S：0～0.2％。
此外，不锈钢粉末的颗粒半径长为0.002mm～0.030mm，优选不锈钢粉末的颗粒大小和各组成成分的含量，可以有效提高不锈钢粉末喷涂在基材2上的附着能力。
在本实施例中，可以将第一涂层4和第二涂层的厚度控制在0.02～0.5mm，而且冷喷涂时，可以控制不锈钢涂层的精确喷涂位置以及最小面积，最小面积为1mm2。可以根据待喷涂基材的尺寸进行选择，若基材的尺寸较小，则利用精确喷涂的方法对其进行喷涂，同时为了避免涂层过厚而增加基材的重量，本实施例中将厚度控制在0.02～0.5mm之间，可以为0.1mm、0.2mm等。
此外，本实施例还提供一种混合喷涂的方法，即通过依次重复步骤1)和步骤2)得到。首先通过热喷涂获得第一涂层，再通过冷喷涂在第一涂层的表面进行喷涂，得到第二涂层，然后再通过热喷涂在第二涂层的表面进行喷涂，依次交叉重复步骤1)和步骤2)，可以获得多层的复合金属层的表面。通过利用Cu合金、Al合金或者Zn合金作为中间层打底，提高层与层之间的结合力，再通过最外层冷喷涂不锈钢粉增强最外层的致密性，可以有效提高表面质量，提高了抗腐蚀能力等。当然混合喷涂时，也可以采用每层喷涂材料相同的材料进行喷涂。
本实施例的工作过程为：首先将热喷涂原料粉末，如Cu合金、Al合金或者Zn合金，加热到熔融状态后，在喷枪1的作用下喷射在基材2表面，并形成第一涂层4，而此时的第一涂层4表面质量差，不够致密，而且附着能力较差，然后通过在第一涂层4上冷喷涂不锈钢粉末，形成较为致密的第二涂层，当高速的不锈钢粉末粒子撞击第一涂层4时，在第一涂层4上会发生塑性变形，并使高速的粒子嵌入在第一涂层4上，形成更加致密的第二涂层，还可以通过混合喷涂，以形成多层不同合金层的表面涂层。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，所述复合金属合金涂覆层包括相连接的第一涂层和第二涂层，所述制备方法包括：
步骤1)、以Cu合金、Al合金或者Zn合金作为热喷涂原料粉末，将熔融状态下的所述热喷涂原料粉末以第一预设速度喷向预处理的基材的表面，以形成所述第一涂层；
步骤2)、将不锈钢粉末放在烤箱内烘烤不少于2小时，以使所述不锈钢粉末之间消除磁性；以及
步骤3)、以消磁后的所述不锈钢粉末作为冷喷涂原料粉末，将所述冷喷涂原料粉末以第二预设速度喷向所述第一涂层的外表面，以形成所述第二涂层。
2.根据权利要求1所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，所述不锈钢粉末的成分包括Fe、C、Ni、Cr、Cu、P和S；
其中，Fe:65％～68％；Ni：7％～10％；Cr:14％～19％；Cu：1％～5％；C：0～0.2％,P：0～0.1％,S：0～0.2％。
3.根据权利要求2所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，所述不锈钢粉末的颗粒半径为0.002mm～0.030mm。
4.根据权利要求1所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，
所述Cu合金的成分包括Cu、Zn、P、CuO和Sn，
其中，Cu：92％～96％；Zn：2％～6％；CuO：0.5％～3％；P：0.1％～0.5％；Sn：0.01％～2％；
所述Al合金的成分包括：Al、Al2O3、Fe、Mg、Si，
其中，AL：90％～95％；Al2O3：3％～5％；Fe：0.1％～2％；Mg：0.02％～0.4％；Si：0.05％～0.1％；
所述Zn合金的成分包括Zn和ZnO，
其中，Zn：95％～98％；ZnO：2％～5％。
5.根据权利要求1所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中均使用喷枪对所述热喷涂原料粉末进行喷射；
所述步骤2)中使用所述喷枪对所述冷喷涂原料粉末进行喷射，所述喷枪的工作气压为0.6～2.0MPa，所述第一预设速度和所述第二预设速度数值为600m/s～700m/s。
6.根据权利要求1所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，所述热喷涂原料粉末的初始温度为1200℃～2700℃，所述热喷涂原料粉末到达所述基材的表面时的温度为20℃～80℃。
7.根据权利要求1所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，所述第一涂层和所述第二涂层的厚度均为0.02～0.5mm。
8.根据权利要求1所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，所述复合金属合金涂覆层通过依次重复步骤1)和步骤2)得到。
9.根据权利要求1所述的复合金属合金涂覆层的制备方法，其特征在于，所述基材的材质包括塑料、玻璃、陶瓷、金属、刚玉或者棉布材料。
10.一种喷涂设备，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的复合金属合金涂覆层的制备方法进行所述复合金属合金涂覆层的制备。
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