CN110616424A - 一种冷喷涂技术制备耐蚀耐磨铝基非晶复合涂层的方法 - Google Patents

一种冷喷涂技术制备耐蚀耐磨铝基非晶复合涂层的方法 Download PDF

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Abstract

一种冷喷涂技术制备耐蚀耐磨铝基非晶复合涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：配料：按照质量百分比称取Al‑Ni‑RE非晶粉末50～90wt％、陶瓷增强相材料粉末50～10wt％，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后制得喷涂粉末；预处理：对基材表面依次进行清洗和喷砂粗化处理；冷喷涂：将上述制备的喷涂粉末装入冷喷涂设备的送粉器中，再将预处理后的基材固定在喷涂夹具上，设定冷喷涂工艺参数后，用冷喷涂工艺在基材表面制备铝基非晶复合涂层。本发明制备工艺简单合理，制备的铝基非晶复合涂层硬度高，涂层具有良好的抗蚀性，且耐磨性能大幅提高，是用于铝合金和镁合金材料表面耐腐蚀、耐磨损防护的理想选择。

Description

一种冷喷涂技术制备耐蚀耐磨铝基非晶复合涂层的方法
技术领域
本发明属于材料表面涂层技术领域，涉及一种冷喷涂技术制备耐蚀耐磨铝基非晶复合涂层的方法。
背景技术
铝基非晶合金具有远超于传统铝合金的性能，例如低密度、高强度和优异的耐蚀性、耐磨性等一系列优点，在能源化工、海洋装备及航空航天等领域的表面耐蚀防护方面优势明显。然而铝基非晶合金室温下塑性变形能力较差，这限制了其作为整体结构材料的应用。因此，通过喷涂制备技术获得铝基非晶涂层的方法，在保证基材力学性的情况下，同时保持铝基非晶涂层优异的耐蚀耐磨性能，是铝基非晶在耐蚀耐磨防护领域应用的理想途径。
冷喷涂技术是一种新兴发展的喷涂技术，可以实现高质量金属、陶瓷及金属陶瓷的制备。在冷喷涂过程中，通过非氧化性气流束加速喷涂粒子，喷涂粒子以高的速度和动能撞击基材形成涂层。冷喷涂具有成本低、效率高、环保、可实现复合涂层及厚涂层制备等特点，与传统热喷涂相比，冷喷涂在较低的温度条件下形成涂层，因而可以避免非晶的氧化、晶化，在制备铝基非晶涂层方面具有明显的优势，同时，冷喷涂过程中气流与粒子温度较低，对基体组织结构的热影响非常小，可防止热喷涂过程中基地材料氧化等问题，保持材料原有的优异性能。
经查，现有专利申请号为CN201810952377.5的中国专利“一种铝基碳化硼复合涂层制备方法”公开了一工艺过程，其包括原料预处理、基材预处理、涂层冷喷涂和涂层后处理共四个步骤，其中涂层组分是采用简单的碳化硼粉和铝合金粉的混合粉末，并且，需要对于工件进行预热，要求100℃以上，后面还需要热处理，加热到350～500℃，会严重影响基材的性能，特别是对于镁合金材料，几乎无法应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种冷喷涂技术制备耐蚀耐磨铝基非晶复合涂层的方法，制备工艺简单，且制备的涂层具有优异的耐蚀耐磨性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种冷喷涂技术制备耐蚀耐磨铝基非晶复合涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)配料：以Al-Ni-RE非晶材料作为涂层的基础相，按照质量百分比称取Al-Ni-RE非晶粉末50～90wt％、陶瓷增强相材料粉末50～10wt％，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后制得喷涂粉末；
2)预处理：对基材表面依次进行清洗和喷砂粗化处理；
3)冷喷涂：将上述制备的喷涂粉末装入冷喷涂设备的送粉器中，再将预处理后的基材固定在喷涂夹具上，设定冷喷涂工艺参数后，用冷喷涂工艺在基材表面制备铝基非晶复合涂层。
作为优选，所述的Al-Ni-RE非晶粉末中Al元素含量为82～90wt.％，Ni含量为6～10wt.％，RE为稀土元素Y和La中的一种或两种，含量为4～8wt.％，Al-Ni-RE非晶粉末为球形形貌，粉末粒径为5～30μm。
优选，所述的陶瓷增强相材料粉末为SiC、Al2O3、TiC、c-BN中的一种或几种，粉末粒径为5～25μm。
进一步，所述步骤2)中的基材为镁合金或铝合金材料，喷砂粗化处理的的工艺参数为：喷砂压力为0.2～0.8MPa，喷砂时间为5～15s，喷砂用砂丸目数为100～200目。
进一步，所述步骤3)中的冷喷涂是指用冷喷涂设备，通过喷枪的高速气流将制备的喷涂粉末沉积在基材上，得到铝基非晶复合涂层，具体的冷喷涂工艺参数为：工作气体为氦气或氮气，喷涂压力为3.0～4.0MPa，温度为550～800℃，喷涂距离为15～35mm，喷枪移动速度为100～300mm/s，送粉速率为2～4kg/h，喷涂角度为80～90°。
4)最后，所述步骤3)的制备铝基非晶复合涂层的厚度控制在0.1mm～1.5mm之间。
5)与现有技术相比，本发明的优点在于：采用冷喷涂技术进行制备，非晶合金粉末无氧化和相变现象，涂层材料保留有与原始粉末一致的非晶态结构；以Al-Ni-RE非晶材料作为涂层的基础相，充分保证了涂层的蚀性能，同时加入陶瓷增强相材料，可以进一步实现其抗腐蚀、耐磨性能的优化结合，处理工艺简单，无需预热和后面的热处理，简化工序，降低成本，避免对基材的性能影响；涂层的硬度≥390HV，磨损率≤5×10-5mm3/N·m，在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电位≥-0.25VSCE。本发明制备工艺简单合理，采用的冷喷涂技术对铝基非晶材料的热影响小，可以获得具有完整非晶结构的铝基非晶涂层，同时硬质增强相材料能显著提高涂层的硬度和耐磨性，制备的铝基非晶复合涂层硬度高，涂层具有良好的抗蚀性，且耐磨性能大幅提高，是用于铝合金和镁合金材料表面耐腐蚀、耐磨损防护的理想选择，尤其是镁合金材料。
附图说明
图1是本发明提供的实施例1中Al-Ni-Y铝基非晶+SiC复合涂层的截面电镜形貌图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
A：称取Al88Ni6.5Y5.5非晶铝基粉末800g，粒径为5～30μm，粉末形貌为球形；称取SiC陶瓷粉末200g，粒径为5～25μm，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末。
B：依次对铝合金基材表面进行清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基材，喷砂压力为0.8MPa，喷砂时间为15s，喷砂用砂丸目数为100目。
C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的铝合金基材固定在喷涂夹具上，用冷喷涂工艺制备铝基非晶复合涂层，其具体的冷喷涂参数为：工作气体为氦气，喷涂压力为4.0MPa，温度为800℃，喷涂距离为15mm，喷枪移动速度为200mm/s，送粉速率为2kg/h，喷涂角度为90°。
本实施例所制备的铝基非晶复合涂层的微观显微组织如图1所示，从图1中可以看出，复合涂层结构致密、组织分布均匀，涂层的厚度为1mm。通过材料力学试验测得涂层的显微硬度为395HV，磨损率为4.2×10-5mm3/N·m，在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电为-0.21VSCE。
实施例2
A：称取Al86Ni7Y4.5La2.5非晶铝基粉末600g，粒径为15～30μm，粉末形貌为球形；称取c-BN陶瓷粉末400g，粒径为5～25μm，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末。
B：依次对镁合金基材表面进行丙酮清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基材，喷砂压力为0.2MPa，喷砂时间为5s，喷砂用砂丸目数为200目。
C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的镁合金基材固定在喷涂夹具上，用冷喷涂工艺制备铝基非晶复合涂层，其具体的冷喷涂参数为：工作气体为氦气，喷涂压力为3.0MPa，温度为550℃，喷涂距离为35mm，喷枪移动速度为300mm/s，送粉速率为4kg/h，喷涂角度为80°。
本实施例所制备的铝基非晶复合涂层的厚度为0.7mm。通过材料力学试验测得涂层的显微硬度为425HV，磨损率为2.2×10-5mm3/N·m，在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电为-0.24VSCE。
实施例3
A：称取Al88Ni6.5Y5.5非晶铝基粉末900g，粒径为5～30μm，粉末形貌为球形；称取Al2O3陶瓷粉末100g，粒径为5～25μm，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末。
B：依次对铝合金基材表面进行清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基材，喷砂压力为0.8MPa，喷砂时间为15s，喷砂用砂丸目数为100目。
C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的铝合金基材固定在喷涂夹具上，用冷喷涂工艺制备铝基非晶复合涂层，其具体的冷喷涂参数为：工作气体为氦气，喷涂压力为4.0MPa，温度为800℃，喷涂距离为15mm，喷枪移动速度为200mm/s，送粉速率为3kg/h，喷涂角度为90°。
本实施例所制备的铝基非晶复合涂层的厚度为1.4mm。通过材料力学试验测得涂层的显微硬度为391HV，磨损率为4.4×10-5mm3/N·m，在3.5wt.％NaCl溶液中点蚀电为-0.23VSCE。
结论：采用本发明的制备方法制备的铝基非晶复合涂层硬度高，涂层具有良好的抗蚀性和耐磨性能。

Claims (6)

1.一种冷喷涂技术制备耐蚀耐磨铝基非晶复合涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)配料：以Al-Ni-RE非晶材料作为涂层的基础相，按照质量百分比称取Al-Ni-RE非晶粉末50～90wt％、陶瓷增强相材料粉末50～10wt％，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后制得喷涂粉末；
2)预处理：对基材表面依次进行清洗和喷砂粗化处理；
3)冷喷涂：将上述制备的喷涂粉末装入冷喷涂设备的送粉器中，再将预处理后的基材固定在喷涂夹具上，设定冷喷涂工艺参数后，用冷喷涂工艺在基材表面制备铝基非晶复合涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的Al-Ni-RE非晶粉末中Al元素含量为82～90wt.％，Ni含量为6～10wt.％，RE为稀土元素Y和La中的一种或两种，含量为4～8wt.％，Al-Ni-RE非晶粉末为球形形貌，粉末粒径为5～30μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷增强相材料粉末为SiC、Al2O3、TiC、c-BN中的一种或几种，粉末粒径为5～25μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的基材为镁合金或铝合金材料，喷砂粗化处理的的工艺参数为：喷砂压力为0.2～0.8MPa，喷砂时间为5～15s，喷砂用砂丸目数为100～200目。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的冷喷涂是指用冷喷涂设备，通过喷枪的高速气流将制备的喷涂粉末沉积在基材上，得到铝基非晶复合涂层，具体的冷喷涂工艺参数为：工作气体为氦气或氮气，喷涂压力为3.0～4.0MPa，温度为550～800℃，喷涂距离为15～35mm，喷枪移动速度为100～300mm/s，送粉速率为2～4kg/h，喷涂角度为80～90°。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)的制备铝基非晶复合涂层的厚度控制在0.1mm～1.5mm之间。
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