CN112226723A - 一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法，涉及高温等离子体应用技术领域与材料保护领域，首先配制待喷涂的金属粉末，该金属粉末包括含铝元素的基础合金和以不同形式存在于所述含铝元素的基础合金中的碳源；其次在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流，以使所述高温等离子射流将所述金属粉末加热至超过2000℃的熔融状态，并沉积在基体表面形成涂层质量一致性且均匀的含铝合金涂层；其中，在高温等离子射流将该金属粉末加热至熔融状态的过程中，金属粉末中的铝元素优先被氧化，形成氧化铝；当该金属粉末被加热至＞2000℃时，碳源优先被氧化，形成碳氧化合物挥发，同时碳源还将前期形成的氧化铝还原为铝单质。

Description

一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及高温等离子体应用技术领域与材料保护领域，特别是涉及一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法。

背景技术

等离子喷涂是利用温度约为3000°～10,000℃的高速高温等离子体射流，将送入其中的粉末颗粒加热到完全融化或半融化状态、加速形成高速熔滴流，并将高速熔滴流喷射向基体表面，使高速熔滴流沉积在基体表面形成涂层的方法。

等离子喷涂在大气氛中实施时，当高温等离子射流从喷枪高速喷出在大气中飞行时，很自然地将大气成分卷入其中。随射流离开喷枪距离的增加，大气成分的含量逐步增加，当距离增加至50mm以上时，高温等离子射流中的大气成分占比会超过50％，使得高温等离子焰流具有氧化性、且氧化性随距离的增加而增强。因此，采用等离子喷涂金属合金粉末制备金属合金涂层时，会发生氧化，从而使涂层中含有金属氧化物成分，导致涂层的质量较差且一致性难以保证。分析其原由，首先，一般金属氧化物与熔融金属合金的润湿性较差，氧化物夹杂在涂层会引起沉积粒子层间结合变差，不仅增加涂层孔隙率，使涂层失去对基体的耐腐蚀保护，而且降低涂层的力学性能与耐磨损性能。这是因为，当发生氧化的喷涂粒子在飞行过程中，由于氧化物的熔点高、粘性较大，沉积过程中会成块状堆积于粒子表面，阻碍熔融粒子沿基体表面的铺展，引起干扰而改变铺展方向，从而诱发遮挡效应产生孔隙夹杂。其次，氧化物的存在，阻碍了铺展中的金属与先前沉积且已经冷却凝固的金属的直接接触，阻止了粒子间金属键合的形成，又因熔融金属与氧化物具有润湿性差的特点，熔融金属快速铺展与冷却过程中难以与氧化物形成强的化学结合，而以弱结合存在的界面在后续冷却中发生界面分离会形成未结合界面。氧化物的存在不仅使涂层的成分与组织结构偏离预期设计的成分与组织，而且由于喷涂过程中众多工艺因素影响的复杂性，涂层中的氧化物含量与分布难以控制，使得涂层的组织与性能的一致性难以得到保证。

已有技术中，为增强涂层内的粒子间结合而提高涂层的性能，并通过改善涂层成分提高涂层质量的一致性，降低等离子喷涂合金中的氧化，采用的一种方法是在惰性气体保护的腔室中进行喷涂，即采用真空等离子喷涂，或又称低压等离子喷涂进行喷涂，可以防止喷涂中的氧化。但这种方法由于受保护腔室的限制，导致设备投资大幅度增加，同时运行成本显著增加，仅适用于不考虑成本的一些结构件的喷涂。即使如此，由于受腔室尺寸的限制，不仅喷涂灵活性受到限制，可喷涂的结构工件的尺寸也受到限制。另一种方法是采用气罩保护等离子，在等离子喷枪上外加一气冷或水冷保护罩，隔离离开喷枪的高温等离子体射流与空气的接触与卷入，然而气罩保护也需要加入保护性冷却气体，这导致增加成本，而且仅适用于近似平基体表面这类比较规则结构件的喷涂。因此，如何在大气氛下直接进行等离子喷涂中解决熔融金属合金粒子的氧化是本领域研究工作者与技术人员至今尚未解决的重要问题。

特别是对于含Al的金属合金，由于Al易与氧氧化，当高温熔滴中含有Al元素时，会发生Al的氧化而形成氧化铝，并在熔融粒子碰撞沉积过程中夹杂于涂层中，引起前述的增加涂层孔隙率、降低沉积粒子间的结合，使涂层失去对基体材料的腐蚀防护作用。

发明内容

本发明实施例提供一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法，以解决目前等离子喷涂中含铝熔融粒子氧化引起的涂层质量较差，而且涂层质量一致性与均匀性又难以保证的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法，包括：

配制待喷涂的金属粉末，所述金属粉末包括含铝元素的基础合金和以不同形式存在于所述含铝元素的基础合金中的碳源；

在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流，以使所述高温等离子射流将所述金属粉末加热至超过2000℃的熔融状态，并喷射向基体表面形成所述含铝合金涂层；

其中，当所述金属粉末被加热至超过2000℃的熔融状态时，一部分所述碳源优先被氧化，形成碳氧化合物挥发，另一部分所述碳源将所述氧化铝还原为铝单质。

在本发明一实施例中，所述含铝元素的基础合金包括铝基合金、含铝合金元素的金属合金、铝与其它金属形成金属间化合物的合金和含铝化物金属间化合物的合金中的至少一者。

在本发明一实施例中，所述铝基合金包括纯铝和铝合金。

在本发明一实施例中，所述含铝合金元素的金属合金包括含铝的铜合金、含铝的铁基合金、含铝的镍基合金、含铝的钴基合金或含铝的钛合金。

在本发明一实施例中，所述铝与其它金属形成金属间化合物的合金包括：

铝与其它金属构成的金属间化合物，或

含有铝与其它金属构成的金属间化合物的金属合金。

在本发明一实施例中，以不同形式存在于所述含铝元素的基础合金中的碳源，包括：

以固溶形式的碳固溶在所述含铝元素的基础合金中的碳，或

以碳的同素异构体形式复合在所述含铝元素的基础合金中的石墨或金刚石相，或

以颗粒状复合在所述含铝元素的基础合金中的碳化物。

在本发明一实施例中，所述金属粉末的粒径为10～100μm之间的任意值。

在本发明一实施例中，在所述金属粉末中，所述碳源的含量为1wt％～10wt％之间的任意值。

在本发明一实施例中，在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流前，所述方法还包括：

对待喷涂的基体的表面进行除锈、除污、除油和粗糙化处理。

本发明实施例包括以下优点：

本发明实施例提供了一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法，首先配制了待喷涂的金属粉末，所述金属粉末包括含铝元素的基础合金和以不同形式存在于所述含铝元素的基础合金中的碳源；接着在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流确保有效加热，以使所述高温等离子射流将所述金属粉末加热至超过2000℃的熔融状态，形成无氧化物的金属熔滴，喷射向基体并沉积在基体表面形成所述含铝合金涂层；其中，在所述高温等离子射流将所述金属粉末加热至熔融状态的过程中，当所述金属粉末被加热至≤2000℃时，所述含铝元素的基础合金中的铝元素优先被氧化，形成氧化铝；但当所述金属粉末被加热至＞2000℃时，一部分所述碳源优先被氧化，保护金属粉末中的所有合金元素不被氧化，而碳氧化形成碳氧化合物挥发，另一部分所述碳源将所述氧化铝还原为铝单质，以此能有效去除沉积前的熔融粒子中的氧化物而形成无氧化物的金属熔滴，最终在相应材质的基体表面上形成涂层质量一致性且均匀的含铝合金涂层，有效地解决目前等离子喷涂中含铝熔融粒子氧化引起的涂层质量较差的问题。

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是本发明实施例一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法的步骤流程图；

图2是采用本发明实施例的制备方法获得的Ni-Al基涂层的断面组织图一；

图3是采用本发明实施例的制备方法获得的Ni-Al基涂层的断面组织图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对本发明的技术问题，本发明实施例提供了一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法，参照图1，具体可以包括以下步骤：

步骤S101，配制待喷涂的金属粉末，所述金属粉末包括含铝元素的基础合金和以不同形式存在于所述含铝元素的基础合金中的碳源；

其中，所述含铝元素的基础合金包括合金基体相元素、单质金属元素、辅助组分，具体的，所述含铝元素的基础合金包括铝基合金、含铝合金元素的金属合金、铝与其它金属形成金属间化合物的合金和含铝化物金属间化合物的合金中的至少一者。其中，所述铝基合金包括纯铝或铝为主要成分的铝合金；所述含铝合金元素的金属合金是以其它金属元素为基体，而铝为合金元素的金属合金，如含铝的铜合金、含铝的铁基合金、含铝的镍基合金、含铝的钴基合金或含铝的钛合金；所述铝与其它金属形成金属间化合物的合金包括铝与其它金属构成的金属间化合物，如NiAl或Ni3Al；或含有铝与其它金属构成的金属间化合物的金属合金，如镍基高温合金。

以不同形式存在于所述含铝元素的基础合金中的碳源，包括以固溶形式的碳固溶在所述含铝元素的基础合金中的碳，或以碳的同素异构体形式复合在所述含铝元素的基础合金中的石墨或金刚石相，或以颗粒状复合在所述含铝元素的基础合金中的碳化物。

具体而言，本发明实施例可以通过机械合金化(机械合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程)的方式将含铝元素的基础合金和碳源复合，得到待喷涂的金属粉末。在本发明实施例中，所述金属粉末的粒径为10～100μm之间的任意值，以有效将金属粉末加热至2000℃以上。在所述金属粉末中，所述碳源的含量为1wt％～10wt％之间的任意值，这样既保证用于防氧化的碳的含量，同时对于含有碳化物形成元素的合金，保留一些碳，可形成具有强化效应的碳化物；或保留一些以石墨存在的碳，能达到润滑减摩作用。

由于锈蚀、污垢和油污会对涂覆金属涂层造成不利干扰，具体来说是降低金属涂层的附着力，锈蚀还会在金属涂层下面成为锈蚀点，对涂覆后的金属涂层是一个锈蚀的诱发点，因此在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流前，本发明实施例还对待喷涂的基体的表面进行除锈、除污、除油和粗糙化处理。具体的操作时可以利用打磨设备打磨掉锈蚀，也可以用酸液除去锈蚀，对污垢和油污可以利用相应溶剂进行清洗操作。另外，为了提高涂覆后的金属涂层的附着力，还可以利用喷砂设备对基体的表面进行喷砂作业，以降低该表面的光洁度，从而有效提高附着力。

步骤S102，在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流，以使所述高温等离子射流将所述金属粉末加热至超过2000℃的熔融状态，并喷射向基体表面形成所述含铝合金涂层；其中，当所述金属粉末被加热至超过2000℃的熔融状态时，一部分所述碳源优先被氧化，形成碳氧化合物挥发，另一部分所述碳源将所述氧化铝还原为铝单质。

在大气氛围下将金属粉末送入高温等离子射流后，高温等离子射流将该金属粉末逐渐加热至2000℃以上的高温，金属粉末形成熔融状态的熔融粒子。此过程中，当该金属粉末被加热至2000℃以下的温度时，本发明实施例利用铝的化学性质活泼，易于氧亲和，而此温度下碳不会被氧化的特性，使得含铝元素的基础合金中的铝元素优先被氧化，形成氧化铝，以此保护该金属粉末中的其他合金元素在2000℃以下不被氧化；当该金属粉末被加热至2000℃以上的熔融粒子时，该金属粉末中的碳源会优先与吸附在熔融粒子表面的氧优先反应，形成碳氧化合物挥发，以此保护该金属粉末中的其他合金元素在2000℃以上不被氧化，同时，在该温度下，碳源还将前期形成的氧化铝还原为铝单质和碳氧化合物，碳氧化合物挥发，以此去除氧化铝中的氧，实现熔融粒子抵达基体表面前的进一步脱氧。

熔融粒子在高温等离子射流喷涂的过程中，以高温熔滴的方式射向基体，由于该高温熔滴具有碰撞冶金自粘结效应，在依次碰撞沉积过程中，后续碰撞的无氧化物的熔滴不仅可以提高润湿性而形成冶金结合，还将引起先前沉积的粒子表面层的熔化，使得每个粒子之间形成充分的冶金结合，从而形成无氧化物的粒子间充分结合且涂层质量一致和均匀的含铝合金涂层，能有效地解决目前等离子喷涂中含铝熔融粒子氧化引起的涂层质量较差的问题。

为说明本发明实施例制备的含铝合金涂层的效果，接下来采用一些具体实施例进行说明：

实施例1

采用纯铝(Al)粉末，以微米级尺度的碳化钨(WC)颗粒为碳源，通过机械合金化制备含有15wt％WC的Al-WC金属粉末，粉末颗粒尺寸为30～60μm。采用大气等离子喷涂Al-WC金属粉末，在电弧功率为30kW的条件下制备了铝基涂层。对该铝基涂层观察，发现涂层断面组织致密，在组织中未观察到氧化物的存在。需要说明的是，含量15wt％指碳化钨的含量，而此时的碳含量仍在1wt％～10wt％之间。

实施例2

本发明实施例配制的金属粉末为尺寸在15～37μm，含2wt％微米级金刚石的Ni-Al复合粉末。采用大气等离子喷涂该Ni-Al复合粉末，在电弧功率为36kW的条件下制备了Ni-Al基涂层。涂层断面组织如图2和图3所示，发现涂层致密，没有明显的氧化物夹杂。

实施例3

本发明实施例配制的金属粉末为尺寸在20～70μm，含3wt％微米级金刚石的镍铬铝钇(NiCrAlY)高温合金粉末。采用大气等离子喷涂该NiCrAlY高温合金粉末，在喷涂距离为120mm与电弧功率为38kW的条件下制备了Ni-Al基高温合金涂层。对该Ni-Al基高温合金涂层观察，发现涂层断面表明涂层致密，没有明显的氧化物夹杂。

实施例4

本发明实施例配制的金属粉末为尺寸在37～70μm，含20wt％微米级碳化铬(Cr3C2)作为碳源的铁铬铝(FeCrAl)高温合金粉末。采用大气等离子喷涂，在喷涂距离100mm与电弧功率为42kW的条件下制备了FeCrAl合金涂层。对该FeCrAl合金涂层观察，发现涂层断面表明涂层致密，没有明显的氧化物夹杂。需要说明的是，含量20wt％指碳化铬的含量，而此时的碳含量仍在1wt％～10wt％之间。

综上，本发明所提供的4个实施例包含了Al、NiAl(金属间化合物)、镍基合金、铁基合金以及两种不同形式的碳源，以上实施例充分说明了本发明实施例提供一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法，能在相应材质的基体表面上形成涂层质量一致性且均匀的含铝合金涂层，可有效解决目前等离子喷涂中含铝熔融粒子氧化引起的涂层质量较差的问题。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种大气氛围下含铝合金涂层的制备方法，其特征在于，包括：

配制待喷涂的金属粉末，所述金属粉末包括含铝元素的基础合金和以不同形式存在于所述含铝元素的基础合金中的碳源；

在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流，以使所述高温等离子射流将所述金属粉末加热至超过2000℃的熔融状态，并喷射向基体表面形成所述含铝合金涂层；

其中，当所述金属粉末被加热至超过2000℃的熔融状态时，一部分所述碳源优先被氧化，形成碳氧化合物挥发，另一部分所述碳源将所述氧化铝还原为铝单质。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含铝元素的基础合金包括铝基合金、含铝合金元素的金属合金、铝与其它金属形成金属间化合物的合金和含铝化物金属间化合物的合金中的至少一者。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述铝基合金包括纯铝和铝合金。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述含铝合金元素的金属合金包括含铝的铜合金、含铝的铁基合金、含铝的镍基合金、含铝的钴基合金或含铝的钛合金。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述铝与其它金属形成金属间化合物的合金包括：

铝与其它金属构成的金属间化合物，或

含有铝与其它金属构成的金属间化合物的金属合金。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以不同形式存在于所述含铝元素的基础合金中的碳源，包括：

以固溶形式的碳固溶在所述含铝元素的基础合金中的碳，或

以碳的同素异构体形式复合在所述含铝元素的基础合金中的石墨或金刚石相，或

以颗粒状复合在所述含铝元素的基础合金中的碳化物。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的粒径为10～100μm之间的任意值。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述金属粉末中，所述碳源的含量为1wt％～10wt％之间的任意值。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流前，所述方法还包括：

对待喷涂的基体的表面进行除锈、除污、除油和粗糙化处理。

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