CN110306148B - 联合采用热喷涂和电子束重熔技术制备铝基非晶层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合采用热喷涂和电子束重熔技术制备铝基非晶层的方法，涉及铝基非晶涂层的制备技术领域。本发明方法包括：制备Al‑Co‑Ce合金并将该合金通过气雾化工艺制粉，然后利用超音速火焰热喷涂基体表面制备Al‑Co‑Ce合金防护涂层，最后对所制备的Al‑Co‑Ce合金防护涂层采用强流脉冲电子束进行表面改性的步骤；其中Al‑Co‑Ce合金的成分为：Co：4.0～8.0at％，Ce：6.0～8.0at％，其余为Al。本发明在热喷涂涂层的表面进行表面改性，生成表面平整、结构致密的非晶合金层，提高了热喷涂涂层的耐腐蚀性能。

Description

联合采用热喷涂和电子束重熔技术制备铝基非晶层的方法
技术领域
本发明涉及铝基非晶涂层的制备技术领域，具体涉及一种采用热喷涂和电子束重熔复合技术制备铝基非晶层的方法，特别适用于海洋等环境下金属基体的涂层防护。
背景技术
非晶合金已经被证实具有比同成分晶体相材料优异的耐蚀性能，其中，铝基非晶合金由于其价格低廉、比强度高、塑性好吸引了大量研究者的注意。大量研究表明，采用热喷涂技术制备的非晶合金涂层具有比传统包铝层更好的腐蚀防护性能，而且该技术还可应用于现场修复。
如申请号201811572288.4公开了一种超高致密度的铝基非晶涂层及其制备方法，采用超音速空气火焰喷涂技术制备，原料选取Al-TM-RE系非晶合金粉末，其成分体系中Al含量≥85wt.％，Co或Ni元素选取作为TM过度族元素，La或Y选取作为RE稀土族元素。
申请号201110137702.0公开了一种超音速火焰喷涂铁基非晶涂层的封孔剂及其应用，该封孔剂主要由Al(OH)3和H3PO4组成，且相应的重量比为1：4.2；具体的应用工艺为：将上述封孔剂加热至70℃，使用刷涂或浸泡方法将封孔剂均匀涂覆于涂层表面，室温静置12小时，然后将封孔的喷涂涂层依次在100℃、200℃、250℃温度下各保温2小时，即可获得封孔效果良好的热喷涂涂层。
上述现有技术都公开了热喷涂技术，尽管如此，目前无论采用何种热喷涂技术，涂层中都包含一定量的晶体相、氧化相、典型的层状和孔隙结构，这极大地限制了涂层的耐蚀性能。此外，由于受涂层材料在热喷涂过程中所能达到的冷却速度和热喷涂涂层自身微观结构的限制，导致热喷涂技术不能制备完全非晶成分的涂层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种联合采用热喷涂和电子束重熔技术制备铝基非晶层的方法，该方法克服了现有热喷涂技术在非晶合金层制备过程中存在的表面粗糙、结构疏松、非晶含量低等缺点，该方法在热喷涂涂层的表面进行表面改性，生成表面平整、结构致密的非晶合金层，提高了热喷涂涂层的耐腐蚀性能。
其技术解决方案包括：
一种制备铝基非晶层的方法，所述的方法包括：制备Al-Co-Ce合金并将所述Al-Co-Ce合金通过气雾化工艺制粉，然后利用超音速火焰热喷涂基体表面制备Al-Co-Ce合金防护涂层，所述的方法还包括对所制备的Al-Co-Ce合金防护涂层采用强流脉冲电子束进行表面改性的步骤。
作为本发明的一个优选方案，Al-Co-Ce合金的成分为：Co：4.0～8.0at％，Ce：6.0～8.0at％，其余为Al。
作为本发明的另一个优选方案，所述的气雾化工艺制粉是在真空金属雾化制粉炉中进行，其参数设置为：真空度≤1.0×10-3Pa，熔炼温度为1350℃，雾化气体为氩气，压力4MPa。
进一步的，利用超音速火焰热喷涂基体表面制备Al-Co-Ce合金防护涂层步骤中，喷涂粉末粒径为25～150μm，喷涂厚度60～150μm，喷涂距离300mm。
进一步的，对所制备的Al-Co-Ce合金防护涂层采用强流脉冲电子束进行表面改性的步骤中，各参数设置为：真空度≤6.5×10-3Pa，电子束能量为20～40KeV，能量密度为5～7J/cm2，脉冲距离10～20cm，脉冲时间2.5μs，轰击次数为1～25次。
进一步的，上述的基体通过有机溶剂对其表面进行预处理以去除油污，然后通过喷砂工艺去除其表面的附着物和氧化皮。
进一步的，上述的有机溶剂为丙酮和无水乙醇。
本发明的另一任务还在于提供一种上述方法制备得到的铝基非晶层在海洋环境下作为金属基体的防护涂层的应用。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
第一、Al-Co-Ce合金具有腐蚀电位低、非晶形成能力强等优点，且在腐蚀过程中能够释放缓蚀离子Ce3+，作为涂层材料可对基体材料形成机械保护、阴极保护、自修复等防护效果。
第二、强流脉冲电子束具有较高的能量密度，较短的脉冲时间，具有束斑直径大、加工时间短、对基体影响小、能量转换率高等优点。
第三、采用强流脉冲电子束对热喷涂涂层粗糙多孔的表面进行表面重熔处理，消除了涂层表面的缺陷结构；
第四、在强流脉冲电子束的处理下，涂层表面获得极高的加热速度和冷却速度(一般超过107K/s)，表面重熔层在冷基体的作用下发生快速的冷却、凝固，在表面形成成分均匀且致密的非晶态组织，阻止腐蚀介质的侵入，保护基体材料。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明强流脉冲电子束重熔处理前(图1a)后(图1b)热喷涂涂层表面扫描电镜形貌图；
图2为本发明强流脉冲电子束重熔处理前(图2a)后(图2b)热喷涂涂层截面扫描电镜形貌图；
图3为本发明强流脉冲电子束重熔处理前后热喷涂涂层的X射线衍射谱图；
图4为本发明复合处理层腐蚀后的表面形貌；
图5为高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Co-Y(图5a)和Al-Ni-Mm-Fe(图5b)非晶涂层的截面形貌；
图6为高速电弧喷涂技术制备Al-Ni-Co-Y和Al-Ni-Mm-Fe非晶涂层的X射线衍射谱图。
具体实施方式
本发明提出了一种联合采用热喷涂和电子束重熔技术制备铝基非晶层的方法，为了使本发明的优点、技术方案个更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
本发明所指基体优选为Q235钢基体。
本发明所需原料及设备均可通过商业渠道购买获得。
实施例1：
采用HOPE-I型强流脉冲电子束装置重熔处理热喷涂AlCoCe涂层，制备非晶合金处理层。测试过程如下：
(1)采用真空感应熔炼炉制备Al86Co7.6Ce6.4合金，并采用气雾化技术在真空金属雾化制粉炉中制备合金粉末，真空度≤1.0×10-3Pa，熔炼温度为1350℃，雾化气体为氩气，压力4MPa；
(2)采用丙酮和无水乙醇清洗Q235钢基体表面，去除油污；之后通过喷砂工艺去除Q235钢基体表面的附着物和氧化皮，表面除锈级别达到Sa 2.5，结束后用干燥气体将表面吹净；
(3)采用超音速火焰热喷涂设备在Q235钢基体表面沉积合金粉末形成Al86Co7.6Ce6.4合金涂层，喷涂采用的粉末粒径范围为25～75μm，喷涂厚度140μm，喷涂距离300mm。
(4)将合金涂层样品放入强流脉冲电子束装置中，抽真空至6.5×10-3Pa以下；采用强流脉冲电子束轰击涂层表面，设定电子束能量为27KeV，能量密度为5～7J/cm2，脉冲距离135mm，脉冲时间2.5μs，轰击次数为8次；处理完毕，打开真空室，取出涂层样品；
(5)对复合工艺制备好的改性涂层样品进行表面相结构、微观形貌和耐腐蚀性能检测。
利用扫描电子显微镜观察采用强流脉冲电子束处理前后超音速火焰热喷涂涂层的微观形貌。如图1a所示，热喷涂涂层表面均呈现了高低起伏的结构，表面较不平整，存在着大尺寸的孔隙结构和少量未完全熔化的粉末颗粒。经强流脉冲电子束重熔处理后，表面粗糙的结构消失，表面变得平整连续致密，如图1b所示。如图2a所示，超音速火焰热喷涂制备涂层的截面组织主要表现为典型的层片状组织，具有大的缝隙和夹杂。经强流脉冲电子束处理后，涂层表面形成致密且连续的重熔组织，层间的孔隙和空洞消失，如图2b所示。如X射线衍射谱图(图3)所示，热喷涂涂层具有明显的衍射峰，为典型的晶体组织结构，而经强流脉冲电子束重熔处理后，表面处理层中不存在衍射峰，表明在涂层表面形成的重熔层为完全的非晶状态。采用电化学工作站将样品在3.5％NaCl溶液进行-200/+250mV极化腐蚀，采用扫描电子显微镜观察表面腐蚀形貌，重熔层表面依旧保持光滑平整的状态，未发生腐蚀，如图4所示。
对比例1：
采用HAS-02型高速喷枪和CMD AS 3000电源系统等组成的高速电弧喷涂技术在AZ91镁合金基体上制备Al-Ni-Co-Y和Al-Ni-Mm-Fe非晶涂层，喷涂工艺参数为：喷涂电压为34V，喷涂电流为120A，空气压力为0.7MPa，喷涂距离为200mm。
利用扫描电子显微镜观察采用高速电弧喷涂制备的2种涂层的截面形貌。如图5a(Al-Ni-Co-Y涂层)和图5b(Al-Ni-Mm-Fe涂层)所示，2种涂层均呈现明显的层状结构，涂层中夹杂着孔隙等缺陷。图6为采用高速电弧喷涂技术制备的2种涂层的XRD图谱。从图6中可以看到，2种涂层在2θ为44°左右时都有1个明显的非晶宽化衍射峰，但在衍射包的位置上出现了明显的晶化峰，表明涂层是由非晶相和晶化相共同组成的，涂层并非是完全的非晶状态。
因此，从实施例1和对比例1可以看出，联合采用热喷涂和电子束重熔技术制备的非晶态复合处理层非晶含量更高，甚至可以形成完全的非晶态，且复合处理层表面结构更为致密，不存在热喷涂技术制备的涂层常见的夹杂、片层、孔隙等缺陷结构。
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种制备铝基非晶层的方法，所述的方法包括：制备Al-Co-Ce合金并将所述Al-Co-Ce合金通过气雾化工艺制粉，然后利用超音速火焰热喷涂基体表面制备Al-Co-Ce合金防护涂层，其特征在于：所述的方法还包括对所制备的Al-Co-Ce合金防护涂层采用强流脉冲电子束进行表面改性的步骤，所述Al-Co-Ce合金的成分为：Co：4.0～8.0at％，Ce：6.0～8.0at％，其余为Al；
对所制备的Al-Co-Ce合金防护涂层采用强流脉冲电子束进行表面改性的步骤中，各参数设置为：真空度≤6.5×10-3Pa，电子束能量为20～40KeV，能量密度为5～7J/cm2，脉冲距离10～20cm，脉冲时间2.5μs，轰击次数为1～25次。
2.根据权利要求1所述的一种制备铝基非晶层的方法，其特征在于：所述的气雾化工艺制粉是在真空金属雾化制粉炉中进行，其参数设置为：真空度≤1.0×10-3Pa，熔炼温度为1350℃，雾化气体为氩气，压力4MPa。
3.根据权利要求1所述的一种制备铝基非晶层的方法，其特征在于：利用超音速火焰热喷涂基体表面制备Al-Co-Ce合金防护涂层步骤中，喷涂粉末粒径为25～150μm，喷涂厚度60～150μm，喷涂距离300mm。
4.根据权利要求1所述的一种制备铝基非晶层的方法，其特征在于：所述的基体通过有机溶剂对其表面进行预处理以去除油污，然后通过喷砂工艺去除其表面的附着物和氧化皮。
5.根据权利要求4所述的一种制备铝基非晶层的方法，其特征在于：所述的有机溶剂为丙酮和无水乙醇。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种制备铝基非晶层的方法制备得到的铝基非晶层在海洋环境下作为金属基体的防护涂层的应用。
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