CN109972020A - 一种高耐蚀复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种高耐蚀复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高耐蚀复合涂层。它由按照质量百分比分别为30～50%、10～30%、10～20%、5～15%、15～20%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Ni合金粉制备而成。该复合涂层中各成分形成了一层有机整体，与基体结合强度高（大于50MPa）、不脱落，沉积过程中梯度硬度Ta颗粒和Ni合金颗粒对已沉积Al‑Zn‑Ni实现原位致密化作用，提高了涂层致密性，涂层孔隙率极低，长期在腐蚀物存在环境下使用时，腐蚀物不易通过孔隙进入基体进行腐蚀，耐腐蚀性能稳定。

Description

一种高耐蚀复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料表面处理领域，具体涉及一种高耐蚀复合涂层及其制备方法。
背景技术
腐蚀是钢铁材料失效的主要原因之一，尤其是对于长期工作于恶劣条件下的钢铁材料部件而言，例如，长期工作于海洋大气环境中的钢铁材料部件，因受到海洋中存在的大量氯离子侵蚀，腐蚀十分严重。表面改性和表面涂层是钢铁材料进行腐蚀防护最常用、最有效的方法。
冷喷涂是一种新型的表面涂层制备方法，具有沉积温度低、涂层结合强度高、无氧化等优点，是制备铝、锌、镍等软质温度敏感材料涂层的理想技术，被广泛应用于制备Al、Zn、Ni等耐腐蚀涂层。低压冷喷涂（低压喷涂时一般低于2MPa）受工作气体压力限制，通常在喷涂粉末中添加SiC、B4C和Al2O3等陶瓷相硬质颗粒，来提高涂层沉积效率和涂层致密性，良好的致密性有助于提高涂层的耐腐蚀性能。例如，专利申请CN105543835A公开了一种冷喷涂铝基耐蚀涂层及其制备方法，涂层包含Al和A1203以及铝稀土合金和/或铝镁合金；专利申请CN103320739A公开了一种海洋环境防腐镍基涂层的制备方法，在镍基合金或镍基金属陶瓷基体中添加金属锌或锌合金耐蚀增强相形成混合粉末，再采用冷喷涂等技术沉积混合粉末制备涂层。
有研究表明：在金属相中添加陶瓷颗粒虽然能够提高涂层的致密性，但在涂层中它是以机械镶嵌方式存在，并未与金属相形成有机的整体，在腐蚀过程中仍会发生颗粒脱落导致涂层发生点腐的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高耐蚀复合涂层，该复合涂层各成分能够形成有机整体，与基体结合强度高、不脱落，孔隙率低、耐腐蚀性能稳定。
本发明的另一目的在于提供上述高耐蚀复合涂层的制备方法，该制备方法成本低、操作非常方便。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高耐蚀复合涂层，其特征在于：它由按照质量百分比分别为30～50%、10～30%、10～20%、5～15%、15～20%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Ni合金粉制备而成。
作为进一步明确，上述Ni合金粉可选用Inconel 625、Inconel718等合金粉。
作为进一步优化，上述Al粉、上述Zn粉和上述Ni粉的粒径均为5～45μm，上述Ta粉和上述Ni合金粉的粒径均为15～75μm。
作为进一步明确，上述高耐蚀复合涂层，它是将上述Al粉、上述Zn粉、上述Ni粉、上述Ta粉和上述Ni合金粉混合均匀后，采用低压冷喷涂，喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，再经热处理而得到的。
发明人经过了长久研究发现，由于Ta金属、Ni合金硬度高、不易变形，现有方法中通常采用高压冷喷涂（一般大于3MPa）来制备单一的Ta金属涂层和Ni合金涂层，且其设备要求庞大、费用高，也不能像低压喷涂那样可以手持，操作十分不便。而本发明结合低压冷喷涂的工艺特点，创造性地采用特定的原料粉末复合配方，通过在多元耐蚀金属相（粘结相）中添加双相梯度硬度非陶瓷强化颗粒（硬质强化相），从而实现了可采用成本低、操作非常方便的低压喷涂方法，同时配合两级热处理，得到了产品性能优异的高耐蚀复合涂层。
上述高耐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）将上述Al粉、上述Zn粉、上述Ni粉、上述Ta粉和上述Ni合金粉，置于机械混料机中混合均匀后制得喷涂粉末；
（2）采用低压冷喷涂，将喷涂粉末喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，形成冷喷涂复合涂层；
（3）将冷喷涂复合涂层热处理，即得到上述高耐蚀复合涂层。
作为进一步明确，上述的低压冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂压力为0.6～1.2MPa，工作气体的温度为200～600℃，喷涂距离为10～30mm，喷涂角度为60～90°，喷枪移动速度为10～50mm/s，相邻道次偏移量为1～3mm，送粉速率为0.5～3g/s。其中，所述的相邻道次偏移量是指设定低压冷喷涂的单道喷涂宽度后，每道喷完后喷枪需要偏移一定距离再喷涂下一道次，如此反复形成一个完整的涂层，相邻道次偏移的距离就是相邻道次偏移量。
作为进一步明确，上述的热处理操作具体为两级真空热处理，其中，第一级热处理真空度为20～200Pa，温度为250～380℃，处理时间为30～180min，第二级热处理保持真空度不变，温度为420～450℃，处理时间为5～60min。
作为进一步优化，上述高耐蚀复合涂层的厚度为5～500μm。具体喷涂涂层时，相邻道次搭接形成第一层涂层，在此基础上再连续制备第二层，第三层，……第N层，达到设计厚度即可停止喷涂，在此过程中喷涂粉末可以随时添加，直至全部道次的喷涂完成后再进行热处理即最终制得所述高耐蚀复合涂层。
更为具体地说，上述高耐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）将按照质量百分比分别为30～50%、10～30%、10～20%、5～15%、15～20%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Ni合金粉，置于机械混料机中混合均匀后制得喷涂粉末；上述Al粉、上述Zn粉和上述Ni粉的粒径均为5～45μm，上述Ta粉和上述Ni合金粉的粒径均为15～75μm；
（2）采用低压冷喷涂，将喷涂粉末喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，形成冷喷涂复合涂层；上述的低压冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂压力为0.6～1.2MPa，工作气体的温度为200～600℃，喷涂距离为10～30mm，喷涂角度为60～90°，喷枪移动速度为10～50mm/s，相邻道次偏移量为1～3mm，送粉速率为0.5～3g/s；
（3）将冷喷涂复合涂层进行两级真空热处理，其中，第一级热处理真空度为20～200Pa，温度为250～380℃，处理时间为30～180min，第二级热处理保持真空度不变，温度为420～450℃，处理时间为5～60min，即得到厚度为5～500μm的上述高耐蚀复合涂层。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种高耐蚀复合涂层，该复合涂层中各成分形成了一层有机整体，与基体结合强度高（大于50MPa）、不脱落，沉积过程中梯度硬度Ta颗粒和Ni合金颗粒对已沉积Al-Zn-Ni实现原位致密化作用，提高了涂层致密性，涂层孔隙率极低，长期在腐蚀物存在环境下使用时，腐蚀物不易通过孔隙进入基体进行腐蚀，耐腐蚀性能稳定。本发明还提供了上述高耐蚀复合涂层的制备方法，该制备方法成本低、操作非常方便，利用该方法制备的复合涂层与基体结合强度高，组织结构致密，具有优异的耐腐蚀性能，是钢铁构件表面理想的表面防护涂层。
附图说明
图1是本发明实施例1中所制备得到的所述高耐蚀复合涂层的横截面结构。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。
实施例 1
一种高耐蚀复合涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）对Q235钢基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理；
（2）将按照质量百分比分别为40%、10%、20%、15%、15%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Inconel 625合金粉，置于机械混料机中混合均匀后制得喷涂粉末；Al粉、Zn粉和Ni粉的粒径均为5～45μm， Ta粉和Inconel 625合金粉的粒径均为15～75μm；
（3）采用低压冷喷涂，将混合均匀的喷涂粉末喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，形成冷喷涂复合涂层；低压冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂压力为0.8MPa，工作气体的温度为200℃，喷涂距离为15mm，喷涂角度为90°，喷枪移动速度为10mm/s，相邻道次偏移量为3mm，送粉速率为3g/s，涂层厚度达到200μm时停止喷涂；
（4）将经低压冷喷涂后所得的涂层构件放置在真空热处理炉中，调节至温度达到300℃、真空度20Pa后，保温30min，之后保持真空度不变升温至440℃，保温20min，随炉冷却至80℃以下取出涂层构件。
本实施例得到的复合涂层参照ASTM E2109-2000标准测试孔隙率为0.29%，参照GB/T 10125-2012标准测试耐腐蚀性能为3500h无明显腐蚀。采用以下测试方法来测定该复合涂层与基体表面的结合强度：在直径为25mm的标准圆片形本例中所述Q235钢基体表面制备本例所述复合涂层，在复合涂层和基体外表面粘结圆棒，采用拉力试验机将复合涂层和基体拉开，测试出结合强度；测试结果表明，该复合涂层与基体结合强度高达52MPa。本例中所制备得到的所述高耐蚀复合涂层的横截面结构如附图1所示。
实施例2
一种高耐蚀复合涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）对35CrMo钢基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理；
（2）将按照质量百分比分别为30%、20%、20%、10%、20%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Inconel 625合金粉，置于机械混料机中混合均匀后制得喷涂粉末；Al粉、Zn粉和Ni粉的粒径均为5～45μm， Ta粉和Inconel 625合金粉的粒径均为15～75μm；
（3）采用低压冷喷涂，将混合均匀的喷涂粉末喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，形成冷喷涂复合涂层；低压冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂压力为0.9MPa，工作气体的温度为300℃，喷涂距离为15mm，喷涂角度为90°，喷枪移动速度为10mm/s，相邻道次偏移量为3mm，送粉速率为1.5g/s，涂层厚度达到200μm时停止喷涂；
（4）将经低压冷喷涂后所得的涂层构件放置在真空热处理炉中，调节至温度达到300℃、真空度120Pa后，保温30min，之后保持真空度不变升温至420℃，保温25min，随炉冷却至80℃以下取出涂层构件。
本实施例得到的复合涂层参照ASTM E2109-200标准测试孔隙率为0.43%，参照GB/T 10125-2012标准测试耐腐蚀性能为2000h无明显腐蚀。采用以下测试方法来测定该复合涂层与基体表面的结合强度：在直径为25mm的标准圆片形本例中所述35CrMo钢基体表面制备本例所述复合涂层，在复合涂层和基体外表面粘结圆棒，采用拉力试验机将复合涂层和基体拉开，测试出结合强度；测试结果表明，该复合涂层与基体结合强度高达53 MPa。
实施例3
一种高耐蚀复合涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）对30CrMnSiA钢基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理；
（2）将按照质量百分比分别为50%、20%、10%、5%、15%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Inconel718合金粉，置于机械混料机中混合均匀后制得喷涂粉末；Al粉、Zn粉和Ni粉的粒径均为5～45μm， Ta粉和Inconel 718合金粉的粒径均为15～75μm；
（3）采用低压冷喷涂，将混合均匀的喷涂粉末喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，形成冷喷涂复合涂层；低压冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂压力为0.8MPa，工作气体的温度为300℃，喷涂距离为15mm，喷涂角度为90°，喷枪移动速度为10mm/s，相邻道次偏移量为3mm，送粉速率为0.8g/s，涂层厚度达到200μm时停止喷涂；
（4）将经低压冷喷涂后所得的涂层构件放置在真空热处理炉中，调节至温度达到350℃、真空度150Pa后，保温150min，之后保持真空度不变升温至450℃，保温25min，随炉冷却至80℃以下取出涂层构件。
本实施例得到的复合涂层参照ASTM E2109-200标准测试孔隙率为0.52%，参照GB/T 10125-2012标准测试耐腐蚀性能3000h无明显腐蚀。采用以下测试方法来测定该复合涂层与基体表面的结合强度：在直径为25mm的标准圆片形本例中所述30CrMnSiA钢基体表面制备本例所述复合涂层，在复合涂层和基体外表面粘结圆棒，采用拉力试验机将复合涂层和基体拉开，测试出结合强度；测试结果表明，该复合涂层与基体结合强度高达55MPa。
实施例4
一种高耐蚀复合涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）对30CrNi2MoV钢基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理；
（2）将按照质量百分比分别为50%、10%、10%、10%、20%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Inconel 718合金粉，置于机械混料机中混合均匀后制得喷涂粉末；Al粉、Zn粉和Ni粉的粒径均为5～45μm， Ta粉和Inconel 718合金粉的粒径均为15～75μm；
（3）采用低压冷喷涂，将混合均匀的喷涂粉末喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，形成冷喷涂复合涂层；低压冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂压力为1.0MPa，工作气体的温度为500℃，喷涂距离为15mm，喷涂角度为90°，喷枪移动速度为10mm/s，相邻道次偏移量为3mm，送粉速率为1.8g/s，涂层厚度达到200μm时停止喷涂；
（4）将经低压冷喷涂后所得的涂层构件放置在真空热处理炉中，调节至温度达到350℃、真空度20Pa后，保温120min，之后保持真空度不变升温至450℃，保温35min，随炉冷却至80℃以下取出涂层构件。
本实施例得到的复合涂层参照ASTM E2109-200标准测试孔隙率为0.45%，参照GB/T 10125-2012标准测试耐腐蚀性能为2400h无明显腐蚀。采用以下测试方法来测定该复合涂层与基体表面的结合强度：在直径为25mm的标准圆片形本例中所述30CrNi2MoV钢基体表面制备本例所述复合涂层，在复合涂层和基体外表面粘结圆棒，采用拉力试验机将复合涂层和基体拉开，测试出结合强度；测试结果表明，该复合涂层与基体结合强度高达55MPa。

Claims (9)

1.一种高耐蚀复合涂层，其特征在于：它由按照质量百分比分别为30～50%、10～30%、10～20%、5～15%、15～20%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Ni合金粉制备而成。
2.如权利要求1所述高耐蚀复合涂层，其特征在于：所述Al粉、所述Zn粉和所述Ni粉的粒径均为5～45μm，所述Ta粉和所述Ni合金粉的粒径均为15～75μm。
3.如权利要求1或2所述高耐蚀复合涂层，其特征在于：它是将所述Al粉、所述Zn粉、所述Ni粉、所述Ta粉和所述Ni合金粉混合均匀后，采用低压冷喷涂，喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，再经热处理而得到的。
4.如权利要求1-3任一所述高耐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）将所述Al粉、所述Zn粉、所述Ni粉、所述Ta粉和所述Ni合金粉，置于机械混料机中混合均匀后制得喷涂粉末；
（2）采用低压冷喷涂，将所述喷涂粉末喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，形成冷喷涂复合涂层；
（3）将所述冷喷涂复合涂层热处理。
5.如权利要求4所述高耐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的低压冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂压力为0.6～1.2MPa，工作气体的温度为200～600℃，喷涂距离为10～30mm，喷涂角度为60～90°，喷枪移动速度为10～50mm/s，相邻道次偏移量为1～3mm，送粉速率为0.5～3g/s。
6.如权利要求4或5所述高耐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的热处理操作具体为两级真空热处理，其中，第一级热处理真空度为20～200Pa，温度为250～380℃，处理时间为30～180min，第二级热处理保持真空度不变，温度为420～450℃，处理时间为5～60min。
7.如权利要求4或5所述高耐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述高耐蚀复合涂层的厚度为5～500μm。
8.如权利要求6所述高耐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述高耐蚀复合涂层的厚度为5～500μm。
9.如权利要求1-3任一所述高耐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）将按照质量百分比分别为30～50%、10～30%、10～20%、5～15%、15～20%的Al粉、Zn粉、Ni粉、Ta粉和Ni合金粉，置于机械混料机中混合均匀后制得喷涂粉末；所述Al粉、所述Zn粉和所述Ni粉的粒径均为5～45μm，所述Ta粉和所述Ni合金粉的粒径均为15～75μm；
（2）采用低压冷喷涂，将喷涂粉末喷涂至经喷砂粗化处理后的基体表面，形成冷喷涂复合涂层；所述的低压冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂压力为0.6～1.2MPa，工作气体的温度为200～600℃，喷涂距离为10～30mm，喷涂角度为60～90°，喷枪移动速度为10～50mm/s，相邻道次偏移量为1～3mm，送粉速率为0.5～3g/s；
（3）将冷喷涂复合涂层进行两级真空热处理，其中，第一级热处理真空度为20～200Pa，温度为250～380℃，处理时间为30～180min，第二级热处理保持真空度不变，温度为420～450℃，处理时间为5～60min。
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