CN110791725A

CN110791725A - 一种适用于等离子喷涂的粉芯丝材及涂层制备方法

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Publication number: CN110791725A
Application number: CN201910964552.7A
Authority: CN
Inventors: 魏世丞; 童辉; 王玉江; 王钦钊; 梁义; 郭蕾; 陈茜; 王博; 辛蔚; 袁悦; 张钰; 王鑫磊; 徐滨士
Original assignee: Academy of Armored Forces of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces of PLA
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: CN110791725B

Abstract

一种适用于等离子喷涂的粉芯丝材及涂层制备方法属于防腐蚀材料技术领域。所述粉芯丝材由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，所述合金粉包含Al粉和SiC粉；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：Al：1％～25％、SiC：10％～34％，其余为铝合金外皮。使用所述粉芯丝材制备等离子热喷涂涂层时，先对基体表面进行喷砂预处理，之后在预处理后的基体表面利用等离子热喷涂的工艺方法制备Al‑SiC涂层，即所述Al‑SiC等离子热喷涂涂层。制备出的Al‑SiC涂层具有结合强度高、防腐性能优异、表面硬度高、喷涂效率高等特点。

Description

一种适用于等离子喷涂的粉芯丝材及涂层制备方法

技术领域

本发明涉及防腐蚀材料技术领域，特别涉及一种粉芯丝材及制备等离子热喷涂涂层的方法。

背景技术

高速电弧喷涂技术是钢结构防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用的一种热喷涂技术，具有生产效率高、成本低、工艺实现灵活性高、对工件基体热传输小等优势。但同时，电弧喷涂中心温度较低，对于高熔点陶瓷材料的喷涂效果较差。等离子喷涂的优点在于：喷涂温度高，对喷涂材料的熔化效果较好；其缺点在于其喷涂效率低，其传统送料速度(粉料)仅为丝材送料速度的1/5～1/3，对于大型构件来讲，其成本效率存在极大的劣势。采用粉芯丝材等离子喷涂技术，既可对高熔点材料进行喷涂加工，又可保留丝材喷涂效率高的优点。

利用电弧喷涂的粉芯丝材，其陶瓷粉含量往往不能太高；但利用等离子喷涂的粉芯丝材，其陶瓷含量可显著提升。传统锌铝系涂层在海洋环境下的耐蚀性能十分优异，但存在硬度低、耐磨性差的缺点。在锌铝涂层基础上添加大量陶瓷颗粒，可显著提高涂层硬度，同时保持了锌铝良好耐蚀性的特点。基于以上思路，利用纯铝作为丝材外皮，SiC作为粉芯丝材填料，制备适用于等离子喷涂的粉芯丝材，是本专利的核心内容。利用等离子喷涂制备的Al-SiC涂层，具有加工效率高、耐蚀性和耐磨性优异的综合优势。

发明内容

本发明通过提供一种粉芯丝材及等离子热喷涂涂层的制备方法，解决了在纯铝涂层在高冲蚀环境下损耗过快的技术问题。

一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种粉芯丝材，由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，所述合金粉包含SiC、Al；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：SiC：10％～34％，Al：1％～25％。

优选的，所述SiC、Al的粒度均为30～50目。

优选的，所述粉芯丝材的粉芯填充率为33％～37％。

进一步地，所述合金粉中还包含Al粉，粉芯填充率为33％～37％。

另一方面，本发明提供了一种使用上述粉芯丝材制备等离子热喷涂涂层的方法，包括：

对基体表面进行喷砂预处理；

对预处理后的基体表面利用等离子喷涂技术对所述粉芯丝材进行加工，形成Al-SiC涂层，即所述Al-SiC粉芯丝材等离子喷涂涂层。

优选的，所述基体材质为碳钢或合金钢。

优选的，在进行所述喷砂预处理时，控制压力为0.6～0.8MPa，喷砂角度为70～90°，喷砂距离为150～180mm。

优选的，所述等离子喷涂的工艺参数为：氩气流量为90～110L/min，工作电流为200～220A，喷涂距离为120～150mm，丝与喷嘴的距离为8～10mm，送丝速度为5～6m/min。

优选的，所述Al-SiC涂层的厚度为500～1000μm。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)本发明实施例提供的粉芯丝材，在粉芯丝材中加入硬质相颗粒SiC以增强Al涂层硬度，有效解决纯Al涂层在冲蚀环境下损耗快的技术问题；

(2)本发明实施例制备的等离子热喷涂涂层，具有结合强度高、防腐性能优异、表面硬度高等特点；所制备的复合涂层可应用于海洋工程、油田储运设施、以及管道的防腐涂层，在“腐蚀+冲蚀”环境下稳定服役，提高钢结构设施的服役寿命。

附图说明

图1是本发明实施例制备的Al-SiC电弧喷涂层截面微观组织照片。

图2是本发明实施例1制备的Al-SiC电弧喷涂层截面微观组织照片。

具体实施方式

本发明实施例提供一种粉芯丝材及制备等离子热喷涂涂层的方法，解决了在“腐蚀+冲蚀”环境下纯Al涂层损耗快的技术问题，可应用于海洋工程、油田储运设施、以及管道的防腐涂层，提高钢结构设施的服役寿命。

为解决上述技术问题，本发明实施例总体思路如下：

本发明提供了一种粉芯丝材，由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，所述合金粉包含SiC、Al；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：Al：1％～25％、SiC：10％～34％。

通过以上内容可以看出，由于本发明采用1系铝合金为丝材外皮，以Al作为耐蚀相基体，在Al基体中加入SiC硬质颗粒相，以形成“软基体+硬质点”的既耐蚀又耐磨的涂层结构，起到增加涂层硬度和耐磨性的作用。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。

一方面，本发明实施例提供了一种粉芯丝材，由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，所述合金粉包含SiC、Al；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：SiC：10％～34％，Al：1％～25％。

本发明实施例中，所述SiC、Al的大小均为150～200目，SiC、Al的粒度过大或过小会造成喷涂过程中焰流不稳定，具体实施过程中过150～200目筛以保证合适的粒度。SiC、Al粉作为主要填充物，二者须充分混合，且二者粒度不能相差过大，以免在混粉过程中出现偏聚。

本发明实施例中，所述粉芯丝材的粉芯填充率为33％～37％。填充率过大会造成粉芯丝材制备过程中拉丝困难，过小则容易造成丝材空芯。

进一步地，所述合金粉中还包含Al粉，粉芯填充率为33％～37％。为保证合理的填充率以及合金粉与铝合金外皮充分反应，可适当在合金粉中添加相同粒度的Al粉来加以平衡。

本发明实施例利用SiC等硬质相增强涂层硬度，同时保留Al的耐腐蚀能力，得到能够稳定喷涂的粉芯丝材。采用等离子喷涂的粉芯丝材设计，可以最大限度的提高材料的利用率，且受不同材料不同熔点的影响较小，便于粉芯丝材的制备。等离子喷涂丝材与电弧喷涂丝材的不同之处在于：由于电弧喷涂电弧中心温度较低，因此其粉芯合金粉中的陶瓷相含量不可过高(陶瓷相质量分数一般需要控制在粉芯合金的15％以下)。但利用等离子喷涂的方法，由于等离子中心温度较高，因此其陶瓷相含量可任意选择，最大可达到填充率的上限。同时，利用粉芯丝材的方法，仍保持了丝材喷涂成形速度快的效率优势。

本发明实施例提供的粉芯丝材中铝合金外皮(合金带)和粉芯的各组分作用如下：

Al带：铝合金作为丝材外皮，作为比Fe电极电位低的金属，可以在腐蚀过程中对基体钢起到牺牲阳极的阴极保护作用，因此将Al作为主相使用。

SiC粉：SiC具有较高的硬度，可在Al基涂层中充当耐磨质点，且SiC在高温下比较稳定，即使在高温喷涂后依然能保持原来的形态，是非常适合于喷涂的粉末材料。SiC属于陶瓷粉末，添加过多会在喷涂过程中不能充分熔化，形成飞溅，添加过少则不能起到增加涂层硬度的目的，因此综合确定其在合金粉中含量为10％～34％。

Al粉：其主要作用为Al合金带与SiC粉之间的过渡材料。Al粉的存在可以更加有效增加Al合金带与SiC在高温下的熔合。Al粉过少起不到良好的连接作用，过多则会挤压SiC的空间，因此综合确定其在合金粉中含量为1％～25％。

本发明实施例中的粉芯丝材采用现有的常规方法来制备：

先将SiC粉、Al粉末按设计配比混合均匀，并准备好一定规格的铝合金带，带材要求具有一定的厚度以保持其拉拔强度，通过粉芯丝材成型装置经过裁带、轧带、填粉、封口、拔丝等过程，制得成品丝材，丝材生产过程中的工艺参数，以能连续生产和不出现翻带、断带、断丝等现象为要求。

另一方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种使用上述粉芯丝材制备等离子热喷涂涂层的方法，包括：

(1)对基体表面进行喷砂预处理；

所述基体材质为碳钢或合金钢。喷涂前的基体表面必须进行喷砂处理，以达到清洁和粗化要求。

喷砂时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.6～0.8MPa，采用刚玉砂或符合有关规定的其它磨料，喷砂角度为70～90°，喷砂距离为150～180mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，但喷砂时间不宜过长。喷砂后基体的表面粗糙度要达到Sa2.5级水平。

(2)对预处理后的基体表面高速电弧喷涂所述粉芯丝材，形成Al-SiC涂层，即所述Al-SiC等离子热喷涂涂层。

利用现有的等离子热喷涂设备及其配套送丝机，所述等离子喷涂的工艺参数为：氩气流量为90～110L/min，工作电流为200～220A，喷涂距离为120～150mm，丝与喷嘴的距离为8～10mm，送丝速度为5～6m/min。综合考虑各工艺因素间的相互作用和相互影响，最终确定了上述工艺参数，该工艺参数能够使焰流最为稳定，且涂层致密性较好，可保证喷涂层具有高的结合强度和低的孔隙率。

形成的Al-SiC涂层的厚度为500～1000μm。喷涂的涂层应具有合适的厚度，涂层太薄不能很好地起到防腐耐磨效果，太厚则容易引起应力集中，造成涂层结合强度下降。

本发明实施例的粉芯丝材等离子热喷涂涂层的技术指标：

颜色外观：暗灰色；

拉伸结合强度>40MPa；

孔隙率＜5％；

涂层厚度：500～1000μm。

本发明实施例将熔点相差较大的合金元素混合使用，形成的涂层具有“软基体+硬质点”的特征，形成的Al-SiC涂层具有耐腐蚀和冲蚀的双重特性，且抗冲击性能良好。

另一方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种适用于海洋工程、油田储运设施、管道、包括基体和喷涂在所述基体表面的涂层，所述涂层使用上述粉芯丝材通过等离子喷涂方法制得。

为了使本领域所属技术人员能够进一步的了解本发明实施例的方案，下面将基于本发明实施例所介绍的方案对其进行详细介绍。

实施例1

取SiC粉、Al粉过150目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为37％，丝材直径为2mm。外皮采用厚度为0.4mm的1系铝合金外皮，可保证外皮在拉伸后仍可保持足够的强度和韧性，以便于喷涂时送丝更加顺畅。

粉芯丝材中各组分组成如下：

喷涂底材为45钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.8MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为80°，喷砂距离为160mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，涂层厚度1000μm。

氩气流量为110L/min，工作电流为220A，喷涂距离为120mm，丝与喷嘴的距离为8mm，送丝速度为6m/min。

实施例2

取SiC粉、Al粉过160目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为35％，丝材直径为2mm。

粉芯丝材中各组分组成如下：

喷涂底材为Q235钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.6MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为70°，喷砂距离为150mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，涂层厚度900μm。

氩气流量为100L/min，工作电流为210A，喷涂距离为140mm，丝与喷嘴的距离为9mm，送丝速度为5.5m/min。

实施例3

取SiC粉、Al粉过70目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为33％，丝材直径为2mm。

粉芯丝材中各组分组成如下：

喷涂底材为A3钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.7MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为90°，喷砂距离为170mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，涂层厚度800μm。

氩气流量为95L/min，工作电流为220A，喷涂距离为130mm，丝与喷嘴的距离为10mm，送丝速度为6m/min。

实施例4

取SiC粉、Al粉过50目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为33％，丝材直径为2mm。

粉芯丝材中各组分组成如下：

喷涂底材为Q235钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.8MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为80°，喷砂距离为180mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，涂层厚度700μm。

氩气流量为100L/min，工作电流为200A，喷涂距离为130mm，丝与喷嘴的距离为8mm，送丝速度为5m/min。

实施例5

取SiC粉、Al粉过80目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为35％，丝材直径为2mm。

粉芯丝材中各组分组成如下：

喷涂底材为Q235钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.6MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为70°，喷砂距离为160mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，涂层厚度600μm。

氩气流量为100L/min，工作电流为200A，喷涂距离为110mm，丝与喷嘴的距离为10mm，送丝速度为6m/min。

将本发明实施例喷涂得到的Al-SiC涂层与纯Al涂层进行冲蚀对比分析。测试涂层表面积为100mm×50mm。首先将待测涂层在质量分数为3.5％的NaCl溶液中浸泡72h，然后在冲蚀试验机上对涂层进行失重测试，以考察涂层的耐冲蚀性能。冲蚀试验中，液体介质仍为质量分数3.5％的NaCl溶液，含沙量为3％(粒径300～500μm)，冲蚀角度为90°，冲蚀速度为10m/s，冲蚀时间为24h。涂层的腐蚀速率情况见表1：

表1涂层耐冲蚀性能测试结果

涂层	腐蚀速率/(g/m<sup>2</sup>·h)
		实施例1	1.21
实施例2	1.12
		实施例3	1.27
实施例4	1.38
		实施例5	1.13
纯Al涂层	3.69

由表1看出，采用本发明实施例的粉芯丝材制备的等离子热喷涂Al-SiC涂层与纯Al涂层相比，在“腐蚀+冲蚀”环境下腐蚀速率大为降低，涂层可有效提高了钢结构设施的服役寿命。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种粉芯丝材，由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，其特征在于，所述合金粉包含Al、SiC；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：Al：1％～25％、SiC：10％～34％；合金粉和铝合金外皮质量总和为100％。

2.如权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于，所述Al、SiC粉的粒度均为150～200目。

3.如权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯丝材的粉芯填充率为30％～35％。

4.使用如权利要求1～3之一所述的粉芯丝材制备等离子热喷涂涂层的方法，其特征在于，包括：

对基体表面进行喷砂预处理，之后对预处理后的基体表面采用等离子喷涂技术对所述粉芯丝材进行喷涂，形成Al-SiC涂层，即所述Al-SiC等离子粉芯丝材热喷涂涂层；

所述等离子喷涂的工艺参数为：氩气流量为90～110L/min，工作电流为200～220A，喷涂距离为120～150mm，丝与喷嘴的距离为8～10mm，送丝速度为5～6m/min。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基体材质为碳钢或合金钢。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，喷砂预处理时，控制压力为0.6～0.8MPa，喷砂角度为70～90°，喷砂距离为80～120mm。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述Al-SiC涂层的厚度为500～1000μm。