CN111020557A - 一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及其制备方法，所述复合涂层由三部分组成：缓冲隔热层、辅助连接层、表面防护层；所述缓冲隔热层作为复合涂层核心层由两层构成，第一层按质量分数为50％‑60％的陶瓷、33％‑42％的金属和7％‑8％的稀土氧化物组成，第二层按质量分数为84％‑88％的陶瓷、7％‑8％的稀土氧化物和5％‑8％的稀土镁合金组成；所述辅助连接层按质量分数为混合金属粉末与1％‑2％的稀土化合物组成；所述表面防护层为高熔点、高硬度、具有优良耐磨性能的合金粉末组成。本发明解决了涂层及界面处常出现的孔洞和裂纹，表面防护层选择受限等难点。

Description

一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及 其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合涂层及其制备方法，尤其涉及一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及其制备方法，属于镁合金表面改性技术领域。

背景技术

镁合金具有高的比强度、高韧性、密度低、塑性和冲击韧性好、易于加工等特点，在航空、航天等领域具有广阔的应用前景，但其硬度、耐磨、耐蚀性很差，限制了其在航天、航空领域的应用范围。激光熔覆技术作为新兴的镁合金表面改性技术，具有涂层制备效率高，涂层与基体结合力强，涂层致密性好的特点。但是激光束能量高在涂层制备过程中热输入大，而镁合金具有低熔点、低沸点的属性，在激光熔覆过程中镁合金很容易产生烧损且稀释率较大等问题，对表面改性层的成型及性能造成不利的影响。

目前，镁合金表面激光熔覆层的制备主要使用熔点低或与镁合金热物性差异不大的金属或合金，例如：Al、铝基合金等。或者在低熔点合金过渡层上制备激光熔覆层，以缓解镁合金熔化上浮对表层的硬度、耐蚀、耐磨性的不利影响。

随着航空航天的发展，对镁合金表面涂层性能的要求更加苛刻，低熔点合金作为防护层已不能满足服役要求，需要在镁合金表面制备硬度更高、耐磨性更好的合金涂层。但对于一些高硬度、耐磨性好的合金，例如：NiTi合金、Co基合金等，但是这些合金具有较高的熔点在熔覆过程中需要很高的热输入。在高的热输入条件下，镁气化上浮、基体稀释率大、受热变形等严重的问题将无法避免，并且这些合金与镁合金热物性差异很大，熔覆过程容易产生裂纹等缺陷。

发明内容

本发明为了克服当前镁合金表面激光熔覆技术所存在的缺陷及高性能防护涂层的制备难点，提供了一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及其制备方法。旨在满足镁合金表面高硬度、高耐磨性需求的基础上，消除熔覆过程中常出现的孔洞和裂纹，解决镁合金在激光熔覆过程中受热变形、气化上浮对涂层的不利影响、镁合金表面改性层选择受限的难题。

本发明的目的是这样实现的：

一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层，所述复合涂层由三部分组成：缓冲隔热层、辅助连接层、表面防护层；所述缓冲隔热层作为复合涂层核心层由两层构成，第一层按质量分数为50％-60％的陶瓷、33％-42％的金属和7％-8％的稀土氧化物组成，第二层按质量分数为84％-88％的陶瓷、7％-8％的稀土氧化物和5％-8％的稀土镁合金组成；所述辅助连接层按质量分数为混合金属粉末与1％-2％的稀土化合物组成；所述表面防护层为高熔点、高硬度、具有优良耐磨性能的合金粉末组成。

一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层的制备方法，由以下步骤组成：

步骤一：在喷砂处理过的镁合金表面通过冷喷涂技术制备缓冲隔热层，其中缓冲隔热层由第一层为50％-60％的陶瓷、33％-42％的金属和7％-8％的稀土氧化物，及第二层按质量分数为84％-88％的陶瓷、7％-8％的稀土氧化物和5％-8％的稀土镁合金组成；

步骤二：在缓冲隔热层表面涂覆辅助连接层，并用激光对其进行激光熔覆处理，其中辅助连接层为混合金属粉末与1％-2％的稀土化合物组成；

步骤三：通过激光器，采用同步送粉技术在辅助连接层上制备表面防护层，其中表面防护层为高熔点、高硬度、具有优良耐磨性能的合金粉末组成。

所述缓冲隔热层第一层厚度为150-200μm，第二层厚度为100-150μm；辅助连接层厚度为300-400μm；表面防护层厚度为500-800μm；

所述步骤一中冷喷涂参数为温度350-400℃，喷涂距离25-28mm，压力36.5-40bar，工艺气体为95-100m³/h；

所述步骤二中激光工艺参数为：功率800-1000W，扫描速度20-30mm/s，光斑直径1.5-3mm；搭接率45％-50％；

所述步骤三中激光工艺参数为：激光功率1000-1200W，扫描速度20-30mm/s，光斑直径1.5-3mm，搭接率40％-45％，送粉速度10-15g/min；

所述步骤二和步骤三中在制备辅助连接层和表面防护层时，引入外场同步辅助调控，磁场电流为25-30A，频率为20-25Hz，超声振动频率为20-25Hz，振幅40-45μm；

所述外场为磁场、超声波场或冷却场。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提出的一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及其制备方法中，在缓冲隔热层第一层中加入金属元素，解决冷喷涂过程中缓冲隔热层制备厚度薄的问题，缓冲隔热层整体作用为：高熔点、低热导率的陶瓷将吸收激光熔覆过程中大部分能量，使到达镁合金表面的热输入小，缓解镁合金因温度过高而烧损，其中加入稀土氧化物用以维持陶瓷热稳定性，同时在隔热层体系中引入稀土镁合金，是利用稀土元素激光吸收率高，熔覆过程中与镁反应更早的固化，在界面处形成钉扎效应，减少镁元素上浮。辅助连接层作用为：通过与外场同步辅助调控，消除应力对缓冲隔热层和表面防护层的不利影响，解决高性能复合防护层在熔覆过程中界面处因应力积累出现裂纹，导致涂层结合力不足而发生剥落现象。

通过使用本发明所提出的一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及其制备方法，所制得的熔覆层连续性好，成型质量高，无裂纹、气孔等缺陷，与基体可形成良好的冶金结合。该复合涂层克服了熔覆过程中容易出现的镁合金受热变形、镁气化上浮、涂层和界面处易产生裂纹和孔洞等问题，解决了镁合金表面激光熔覆高熔点合金受限的难题。

附图说明

图1是复合涂层原理图及激光熔覆过程图；

图2是涂层宏观形貌示意图；

图3是本发明涂层与基体的SEM图；

图4是本发明涂层与基体截面的显微硬度图；

图5是本发明涂层与基体电化学对比图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提出在镁合金表面制备硬度高、摩擦学性能优秀的合金涂层前，预先制备陶瓷基缓冲隔热层。在缓冲隔热层上制备辅助连接层后，进行高性能涂层的制备。并在激光熔覆过程中引入外场同步辅助调控，解决涂层制备过程中常出现的孔洞和裂纹等问题。从而得到一种高质量、高稳定性的镁合金表面复合防护涂层。

本发明提供的一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层由、表面防护层、辅助连接层和缓冲隔热层组成，在镁合金表面依次制备缓冲隔热层、辅助连接层和表面防护层，其中，缓冲隔热层由两层构成，第一层分按质量分数为50％-60％的陶瓷、33％-42％的金属和7％-8％的稀土氧化物组成，第二层按质量分数为84％-88％的陶瓷、7％-8％的稀土氧化物和5％-8％的稀土镁合金组成；辅助连接层按质量分数为混合金属粉末与1％-2％的稀土化合物组成；表面防护层为高熔点、高硬度、具有优良耐磨性能的合金粉末组成。

本发明提供的一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层组成结构为：缓冲隔热层第一层为ZrO₂、Cu和Y₂O₃，第二层为Y₂O₃、ZrO₂和Mg-Y；辅助连接层采用Cu、Ni和LaB₆制备，表面防护层为NiTi合金，具体制备步骤如下：

一、根据镁合金硬度、耐蚀、耐磨性的需求，考虑热物性差异及匹配性问题，在等原子比NiTi合金基础上适当调整粉末配比，NiTi的粉末质量百分比Ni:50％-55％，Ti:45％-50％；辅助连接层组成为60％-65％Cu，35％-40％Ni，并加入1％-2％LaB₆；缓冲隔热层第一层为50％-60％的ZrO₂，33％-42％的Cu，7％-8％的Y₂O₃，第二层为7％-8％的Y₂O₃、84％-88％的ZrO₂与5％-8％的Mg-Y，利用行星式球磨机分别将各层的粉末混合均匀，保证混合粉末均匀性，球磨和烘干时对球磨罐和保温箱进行氩气保护防止粉末氧化；

二、将镁合金板表面用150-800#砂纸打磨后用丙酮清洗干净，超声清洗后吹干，而后对镁合金表面进行喷砂处理，用冷喷涂技术对喷砂处理过的镁合金表面进行缓冲隔热层制备，先喷缓冲隔热层第一层，厚度为150-200μm，然后进行缓冲隔热层第二层制备，厚度为100-150μm，冷喷涂工艺参数为：温度350-400℃，喷涂距离25-28mm，压力36.5-40bar，工艺气体为95-100m³/h；

三、在冷喷涂后的缓冲隔热层表面涂覆一层辅助连接层，厚度为300-400μm；将准备好的试样放置在充氩仓内，采用Nd:YAG激光器进行激光熔覆处理，激光功率为800-1000W，扫描速度为20-30mm/s，光斑直径为1.5-3mm；搭接率45％-50％，熔覆过程采用磁场、超声装置对熔池进行调控，消除镁烧损或稀释过大对涂层和界面处造成孔洞及热应力产生的裂纹，磁场电流为25-30A，频率为20-25Hz，超声振动频率为20-25Hz，振幅40-45μm，水循环冷却装置对基板进行冷却，防止热应力过大造成基板弯曲；

四、将步骤三制备的试样，用150-800#砂纸对涂层表面打磨，并用丙酮除去油污，超声清洗后吹干使其表面清洁；将准备好的试样再次放入充氩仓内，采用同步送粉技术进行激光熔覆，激光功率为1000-1200W，扫描速度为20-30mm/s，光斑直径为1.5-3mm，搭接率为40％-45％，送粉速度为10-15g/min，送粉气为氩气，涂层厚度为500-800μm，同步骤三，在熔覆过程中采用超声、磁场、水冷装置对熔覆层和界面进行调控。

一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及其制备方法，包括以下步骤：

1)表面防护层、辅助连接层、缓冲隔热层粉末材料成分配比设计。粉末采用粒径为100-200目的纯Ni、Ti粉末为原料，按质量百分比Ni：55％，Ti：45％配粉；辅助连接层为粒径为100-200目的65％Cu，35％Ni与1.2％的LaB₆；缓冲隔热层第一层粒径为200-300目的50％ZrO₂、8％8％Y₂O₃和42％Cu，第二层为粒径为200-300目的85％ZrO₂、8％Y₂O₃和7％Mg-Y稀土合金。粉末配好后，将混合粉末放入氩气保护气氛的球磨罐中，然后利用行星式球磨机将各粉末混合均匀，球料比为1:1，转数300rpm/min，球磨时间30min；然后将混合均匀的粉末放在氩气保护的干燥箱内干燥，温度100℃，干燥2h；

2)缓冲隔热层制备。采用150-800#砂纸对尺寸10mm×3mm×8mm的基材表面进行打磨，打磨后用丙酮清洗以除去表面油污，超声清洗后用吹风机吹干，对处理过的镁合金板表面进行喷砂处理，去除表面氧化皮，用冷喷涂设备对喷砂处理过的镁合金表面进行缓冲隔热层制备，先喷缓冲隔热层第一层，厚度为200μm，然后进行缓冲隔热层第二层制备，厚度为150μm，冷喷涂工艺参数为：温度380℃，喷涂距离25mm，压力36.5bar，工艺气体为95m³/h，得到带有缓冲隔热层的镁合金基板；

3)辅助连接层制备。将缓冲隔热层面用1000#砂纸打磨，用丙酮清洗除去表面油污，干燥后在处理的缓冲隔热层上涂覆辅助连接层，厚度为350μm；将准备好的试样放置在充氩仓内，采用Nd:YAG激光器进行激光熔覆处理，激光功率为800W，扫描速度为20mm/s，光斑直径为3mm，搭接率50％，熔覆过程采用磁场、超声装置对熔池进行调控，磁场电流为25A，频率为20Hz，超声振动频率为20Hz，振幅40μm，水循环冷却装置对基板进行冷却，防止热应力过大造成基板弯曲；

4)表面防护层激光熔覆处理。将激光熔覆后的板材取出，用150-800#砂纸对辅助连接层面打磨，并用丙酮除去油污超声清洗，使其表面清洁，将处理后的板材放入充氩仓内，采用同步送粉技术进行激光熔覆，激光功率为1200W，扫描速度为30mm/s，光斑直径为1.5mm，搭接率为45％，送粉速度12g/min，送粉气为氩气，涂层厚度800μm，在熔覆过程中同样采用超声、磁场、水冷装置对熔覆层和界面进行调控。

将制备好的试样进行组织表征，硬度、耐蚀性等实验测试，熔覆层组织均匀，界面处无孔洞和裂纹，涂层致密性好；表面防护层平均硬度约为770HV，高出基体硬度13.5倍左右，耐蚀电流密度比基体降低两个数量级以上。

综上所述：本发明公开了一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层及其制备方法，解决在激光熔覆过程中镁合金因受热变形、镁气化上浮对涂层性能影响。在镁合金表面依次制备缓冲隔热层、辅助连接层和表面防护层，为进一步提升复合涂层的性能，在激光熔覆过程中引入外场(磁场、超声波场、冷却场)同步辅助调控。复合防护层由缓冲隔热层、辅助连接层和表面防护层组成，其中缓冲隔热层分为两层，第一层由陶瓷相、稀土氧化物和金属组成，第二层则由陶瓷相、稀土氧化物和镁稀土合金组成；辅助连接层由混合金属和稀土化合物组成；表面防护层由高硬度、高熔点合金组成。本发明可以克服镁合金激光熔覆过程中受热变形严重、镁气化上浮、熔池深稀释率大的不利影响，解决了涂层及界面处常出现的孔洞和裂纹，表面防护层选择受限等难点，提供一种高质量、高稳定性、普适性大的镁合金表面防护涂层及其制备方法。

Claims (8)

1.一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层，其特征是，所述复合涂层由三部分组成：缓冲隔热层、辅助连接层、表面防护层；所述缓冲隔热层作为复合涂层核心层由两层构成，第一层按质量分数为50％-60％的陶瓷、33％-42％的金属和7％-8％的稀土氧化物组成，第二层按质量分数为84％-88％的陶瓷、7％-8％的稀土氧化物和5％-8％的稀土镁合金组成；所述辅助连接层按质量分数为混合金属粉末与1％-2％的稀土化合物组成；所述表面防护层为高熔点、高硬度、具有优良耐磨性能的合金粉末组成。

2.一种陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层的制备方法，其特征是，由以下步骤组成：

步骤一：在喷砂处理过的镁合金表面通过冷喷涂技术制备缓冲隔热层，其中缓冲隔热层由第一层为50％-60％的陶瓷、33％-42％的金属和7％-8％的稀土氧化物，及第二层按质量分数为84％-88％的陶瓷、7％-8％的稀土氧化物和5％-8％的稀土镁合金组成；

步骤二：在缓冲隔热层表面涂覆辅助连接层，并用激光对其进行激光熔覆处理，其中辅助连接层为混合金属粉末与1％-2％的稀土化合物组成；

步骤三：通过激光器，采用同步送粉技术在辅助连接层上制备表面防护层，其中表面防护层为高熔点、高硬度、具有优良耐磨性能的合金粉末组成。

3.根据权利要求2所述的陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层的制备方法，其特征是，所述缓冲隔热层第一层厚度为150-200μm，第二层厚度为100-150μm；辅助连接层厚度为300-400μm；表面防护层厚度为500-800μm。

4.根据权利要求2所述的陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层的制备方法，其特征是，所述步骤一中冷喷涂参数为温度350-400℃，喷涂距离25-28mm，压力36.5-40bar，工艺气体为95-100m³/h。

5.根据权利要求2所述的陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层的制备方法，其特征是，所述步骤二中激光工艺参数为：功率800-1000W，扫描速度20-30mm/s，光斑直径1.5-3mm；搭接率45％-50％。

6.根据权利要求2所述的陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层的制备方法，其特征是，所述步骤三中激光工艺参数为：激光功率1000-1200W，扫描速度20-30mm/s，光斑直径1.5-3mm，搭接率40％-45％，送粉速度10-15g/min。

7.根据权利要求2所述的陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层的制备方法，其特征是，所述步骤二和步骤三中在制备辅助连接层和表面防护层时，引入外场同步辅助调控，磁场电流为25-30A，频率为20-25Hz，超声振动频率为20-25Hz，振幅40-45μm。

8.根据权利要求7所述的陶瓷基缓冲隔热层辅助镁合金表面激光熔覆复合涂层的制备方法，其特征是，所述外场为磁场、超声波场或冷却场。

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