CN111014652A

CN111014652A - 铝合金非晶粉末材料、制备方法、用途及涂层制备方法

Info

Publication number: CN111014652A
Application number: CN201911222710.8A
Authority: CN
Inventors: 靳磊; 马国佳; 张乐; 姜春竹
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute; AVIC Manufacturing Technology Institute
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2020-04-17

Abstract

本发明公开了一种铝合金非晶粉末材料、制备方法、用途及涂层制备方法，该铝合金非晶粉末材料包括Al、Ni、La、Co、Y、Gd组分元素。铝合金非晶粉末材料的制备方法包括：将所述铝合金非晶粉末材料进行冶炼；将冶炼得到的金属液进行气体雾化，得到铝合金非晶粉体,雾化条件：温度1200‑1400℃，使用惰性气体保护，保护气体压力10‑50kg；将上述雾化铝合金非晶粉体冷却后，收集粉体并筛分获得粒度分布为10～30μm的铝合金非晶粉末材料。本发明铝合金非晶粉末材料的非晶体含量高达90％以上，本发明铝合金非晶粉末材料用作金属构件涂层显著提高了金属构件的防腐、耐磨及抗疲劳性能。

Description

铝合金非晶粉末材料、制备方法、用途及涂层制备方法

技术领域

本发明涉及非晶态轻金属技术领域，更具体涉及一种防腐、耐磨及抗疲劳的铝合金非晶粉末材料、制备方法、用途及涂层制备方法。

背景技术

目前，在海洋服役环境下，雨水、海水、盐雾等复杂环境容易造成飞机连接件、转动部件的腐蚀、摩擦失效，同时飞行过程中的复杂应力问题也会加剧腐蚀问题，甚至会诱发重大事故。

通常金属连接件表面防腐材料有树脂、有机硅、Al、Zn、AlZn(85％)等材料；通常金属连接件表面防护方法有涂层、镀镍、阳极氧化、微弧氧化等方法。在众多防腐材料中，非晶作为一种新型防腐材料，不存在晶界、位错、空位等晶体缺陷，因此具有极强的耐腐蚀特性，同时与传统金属材料相比还具有硬度高、耐磨损、长时使用温度高达100℃以上等优点，是理想的耐腐蚀、耐磨材料。如在3.5wt％盐水中，电镀法制备的非晶防腐涂层腐蚀速率只有1.21μm/a，而不锈钢为50-500μm/a，非晶防腐涂层其耐腐蚀能力是不锈钢的40倍以上。在海水或盐雾条件下，零件表面如果沉积40～50μm厚的非晶防腐层，可确保零部件20～30年不腐蚀。

非晶态铝基合金及涂层具有高比强和优异的耐蚀性能，引起航空、航海界的普遍关注。1988年，Inoue等人采用气相雾化技术制备了Al-ETM-LTM类铝基非晶合金粉体材料。尽管目前有Al基非晶粉末材料报道，但适用于航空领域内的非晶粉末及非晶涂层应用效果及应用前景还未见公开报道。原因主要有：(1)适用于冷喷涂工艺的Al基非晶粉末难以大批量制备，且Al基非晶粉末生产成本高。(2)冷喷涂工艺制备Al基非晶防腐耐磨涂层还存在一定的技术难度，目前工业应用探索研究较少。(3)冷喷涂非晶涂层对航空领域内某些部件有效作用数据积累不够，探索不彻底，应用开发还不成熟。

飞机轻合金部件防腐通常采用电镀、阳极氧化等方法，这些工艺有较佳的防腐及耐磨性能，但存在的主要问题是造成金属疲劳性能的下降，同时这些方法制备的涂层较薄，防护的耐久性不够。而冷喷涂制备的涂层可厚可薄，因此涂层性能控制更有保障，同时冷喷涂气流速度快，携带的喷涂颗粒可达200m/s以上，对基体金属具有较强的冲击强化作用，可一定程度的提高基体的疲劳寿命。并且电镀、阳极氧化工艺通常存在环境污染，而冷喷涂工艺主要使用氮气、氩气、电，因此比较环保。冷喷涂相对热喷涂而言，对力学性能不足够强的轻合金热损失和变形损伤更小，基本无害。

国外P.Suresh Babu采用气体雾化方法制备了Al-4.4Y-4.3Ni-0.9Co-0.35Sc(at％)，该论文采用的非晶粉末依然含有较多的晶体相，尽管该作者并未报道非晶含量，根据Pseudo-Voigt法则，估算非晶含量约15％。

国内张建旗公开了一种制备铝基合金粉体材料的方法(专利CN 105195752 A)，该发明旨在为粉末冶金制备大块铝基合金和冷喷涂制备非晶态铝基合金防护镀层提供粉体原材料，该发明的材料组分为Al₈₈Ce₈Ni₄和Al₉₁Fe₇Cr₂。该发明因粉末组分较少，与Inoue非晶粉末原则、Greer的“混乱原则”、Davis的深共晶点准则不完全符合。该成分的粉末颗粒细小、形状规则、氧含量低、成粉率高，但该粉末非晶含量比例低，说明该组分非晶形成能力差，粉末制备工艺控制比较困难，并不适用于粉体原材料的工业化生。

因此，针对以上问题，需要提供一种防腐、耐磨及抗疲劳的铝合金非晶粉末材料、制备方法、用途及涂层制备方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是要获得一种防腐、耐磨及抗疲劳的铝合金非晶粉末材料、制备方法、用途及涂层制备方法，以此最大程度发挥材料的防护作用，提高目前金属部件的防护能力，带来全面的性能提升。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种防腐、耐磨及抗疲劳的铝合金非晶粉末材料，该粉末材料包括：Al、Ni、La、Co、Y、Gd组分元素。

优选地，所述的粉末材料包括(原子％)：Al＞80％、Ni 1～10％、La 1～10％、Co 1～10％、Y 1～10％、Gd 1～10％。

优选地，所述的粉末材料包括(原子％)：Al 84～88％、Ni 5～10％、La 1～5％、Co1～5％、Y 1～5％、Gd 1～5％。

本发明还提供了所述的防腐、耐磨及抗疲劳的铝合金非晶粉末材料的制备方法，包括步骤：

(1)冶炼：冶炼所述铝合金非晶粉末材料；

(2)雾化：将冶炼得到的金属液进行气体雾化，得到铝合金非晶粉体,雾化条件：温度1200-1400℃，使用惰性气体保护，保护气体压力10-50kg；

(3)收集:将上述雾化铝合金非晶粉体冷却后，收集粉体并筛分获得粒度分布为10～30μm的粉末，烘干得到铝合金非晶粉末材料。

优选地，所使用的惰性气体为氩气，氩气压力20-45kg。

本发明还提供了所述的防腐、耐磨及抗疲劳的铝合金非晶粉末材料的用途，将所述的铝基非晶粉末材料用作制备金属构件的防腐、耐磨及抗疲劳的涂层。

本发明还提供了所述的防腐、耐磨及抗疲劳的铝合金非晶粉末材料涂层的制备方法，包括步骤：

(1)将所述的铝合金非晶粉末干燥处理：采用大气干燥箱，温度80-120℃，时间0.1-0.8h；

(2)将金属结构件进行表面处理：使用丙酮清洗金属结构件，以去除表面油污；

(3)制备涂层：用高压压缩氮气作粉末加速气体，喷枪入口氮气压力2.0～4.0MPa，流速700～1100L/min，温度300～500℃；

(4)对制备完后的涂层进行机加、表面精修、抛光、涂覆润滑脂处理。

优选地，所述的铝合金非晶粉末干燥处理温度100℃，时间0.5h。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比，本发明的优点在于：采用AlNiLaCoYGd非晶粉末，非晶含量高达90％以上，粉末较Al-4.4Y-4.3Ni-0.9Co-0.35Sc、Al₈₈Ce₈Ni₄、Al₉₁Fe₇Cr₂等成分非晶比例更高，粉末制备工艺参数区间大，工业上易于实现，生产成本降低。冷喷涂技术制备AlNiLaCoYGd较为容易，制备的铝合金非晶态防护层综合性能较好，可提高金属构件的防腐、耐磨及抗疲劳等性能，且该涂层密度低于铝合金基体，对飞机无明显增重影响。冷喷涂技术可便携式现场操作，对飞机连接件、转动摩擦磨损易腐蚀部件进行预保护及事后损伤现场修复方便，节省时间并提高飞机生存能力。

本发明防腐、耐磨、抗疲劳的铝合金非晶涂层与基体结合强度高、制备工艺简单且成本低廉，防腐、耐磨、抗疲劳综合性能可提高10％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明铝合金非晶粉末的扫描电镜形貌图；

图2是本发明铝合金非晶粉末的冷喷涂涂层截面形貌图；

图3是本发明铝合金非晶粉末的冷喷涂涂层的电化学曲线图；

图4是本发明铝合金非晶粉末的冷喷涂涂层的摩擦磨损后犁沟形貌图；

图5是本发明铝合金非晶粉末的对铝合金基体冷喷涂处理后与铝合金基体疲劳试验数据对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图1是真空雾化技术制备获得的AlNiLaCoYGd非晶粉体扫描电镜形貌图。由图1可知所述气相雾化制备得到的AlNiLaCoYGd粉体颗粒度在10～30μm间，表面光滑、内部致密，内部包含纳米晶与非晶。

图2是冷喷涂制备的非晶涂层，由图2可知所制备的涂层致密，厚度可达1000μm以上，内部依然含有部分纳米非晶态，原粉末组分得到最大程度保留，有利于提高涂层综合防护性能。图3是Al基非晶涂层电化学极化曲线图，可见非晶Al基涂层自腐蚀电位较低，具有良好的耐腐蚀性能。图4是Al基非晶涂层摩擦磨损后的犁沟形貌，可见划痕不清晰、深度较浅，说明非晶Al涂层耐磨性能较好。图5是6063铝合金母材及冷喷涂处理后疲劳试验数据对比。数据表明基材及冷喷涂处理样品(非晶)循环次数相对基体提高10％。

实施例一：

本实施例涉及本发明防腐、耐磨、抗疲劳的铝合金非晶粉末材料、涂层制备方法及在航空领域内的应用。

(1)将合金元素组成按原子百分比进行配置：84％Al、其余为Ni、La、Co、Y、Gd。

(2)打开氩气阀门，在熔炼温度为1200℃，雾化压力为38kg下进行雾化制备非晶粉末。

(3)将所述的雾化铝合金粉体冷却后，取下粉体收集器筛分获得粒度分布为10～30μm的粉末。

(4)将得到的铝合金非晶粉末采用冷喷涂工艺喷涂于轻合金构件表面，所述喷涂工艺参数如下：载气氮气预热温度320℃，压力2.5MPa，喷涂距离为12mm；

(5)根据转轴等零部件要求，冷喷涂制备非晶防护涂层后，测定所述涂层性能，其孔隙率为0.15％、厚度30μm、硬度值为180HV_0.3，并根据零部件表面要求进行机加、抛光或者涂漆等后续处理。

实施例二：

本实施例涉及本发明的防腐、耐磨、抗疲劳的铝合金非晶粉末材料、涂层制备方法及在航空领域内的应用。

(1)将合金元素组成按原子百分比进行配置：86％Al、其余为Ni、La、Co、Y、Gd。

(2)打开氩气阀门，在熔炼温度为1250℃，雾化压力为30kg下进行雾化制备非晶粉末。

(4)将得到的铝合金非晶粉末采用冷喷涂工艺喷涂于轻合金构件表面，所述喷涂工艺参数如下：载气氮气预热温度380℃，压力2.5MPa，喷涂距离为15mm；

(5)根据转轴、吊挂、折叠翼、作动筒等零部件要求，采用冷喷涂制备非晶防护涂层后，测定所述涂层性能，其孔隙率为0.15％、厚度40μm、硬度值为200HV_0.3，并根据零部件表面要求进行机加、抛光或者涂漆等后续处理。

实施例三：

(1)将合金元素组成按原子百分比进行配置：88％Al、其余为Ni、La、Co、Y、Gd。

(2)打开氩气阀门，熔炼温度为1300℃，雾化压力为30kg下雾化制备非晶粉末。

(4)将得到的铝合金非晶粉末采用冷喷涂工艺喷涂于轻合金构件表面，所述喷涂工艺参数如下：载气氮气预热温度410℃，压力2.8MPa，喷涂距离为20mm；

(5)根据转轴、吊挂、折叠翼、作动筒等零部件要求，冷喷涂制备非晶防护涂层后，测定所述涂层性能，其孔隙率为0.15％、厚度30μm、硬度值为220HV_0.3，并根据零部件表面要求进行机加、抛光或者涂漆等后续处理。

实施例四：

(2)打开氩气阀门，在熔炼温度为1350℃，雾化压力为38kg下进行雾化制备非晶粉末。

(4)将得到的铝合金非晶粉末采用冷喷涂工艺喷涂于轻合金构件表面，所述喷涂工艺参数如下：载气氮气预热温度410℃，压力3.0MPa，喷涂距离为22mm；

(5)根据转轴、吊挂、折叠翼、作动筒等零部件要求，冷喷涂制备非晶防护涂层后，测定所述涂层性能，其孔隙率为0.15％、厚度30μm、硬度值为310HV_0.3，并根据零部件表面要求进行机加、抛光或者涂漆等后续处理。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施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，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种铝合金非晶粉末材料，其特征在于，该粉末材料包括：Al、Ni、La、Co、Y、Gd组分元素。

2.根据权利要求1的防腐、耐磨及抗疲劳的铝合金非晶粉末材料，其特征在于，所述的粉末材料包括(原子％)：Al＞80％、Ni 1～10％、La 1～10％、Co 1～10％、Y 1～10％、Gd 1～10％。

3.根据权利要求2的铝合金非晶粉末材料，其特征在于，所述的粉末材料包括(原子％)：Al 84～88％、Ni 5～10％、La 1～5％、Co 1～5％、Y 1～5％、Gd 1～5％。

4.权利要求1-3任一项所述的铝合金非晶粉末材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1)冶炼：冶炼所述铝合金非晶粉末材料；

5.根据权利要求4所述的铝合金非晶粉末材料的制备方法，其特征在于，所使用的惰性气体为氩气，氩气压力20-45kg。

6.权利要求1-3任一项的铝合金非晶粉末材料的用途，其特征在于，将所述的铝合金非晶粉末材料用作制备金属构件的防腐、耐磨及抗疲劳的涂层。

7.一种如权利要求6所述的金属构件的涂层制备方法，用于防腐、耐磨及抗疲劳，该制备方法包括步骤：

8.根据权利要求7所述的金属构件的涂层制备方法，其特征在于，所述的铝合金非晶粉末干燥处理温度100℃，时间0.5h。