CN112323011B - 一种适用于vw75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，属于金属材料领域。先采用丙酮清洗VW75稀土镁合金基体表面，施加压应力，使晶格发生1～10％的畸变，并进行吹砂预处理；用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂砾或灰尘，从各个角度观察喷砂面均无反射亮斑；在喷砂后1～3h内，在粗化后的基体表面喷涂粘接层，粘接层的材料为NiCrAlY合金粉末；在粘接层上喷涂面层，面层采用大气等离子喷涂工艺制备，面层材料为纳米颗粒团聚氧化钇部分稳定氧化锆粉末；喷涂后将试样缓慢冷却至室温，以减少内应力。本发明可以在VW75镁合金表面制备出耐热温度更高的涂层，对于隔绝大厚度的样品来说，可以实现整体性能的稳步提升。

Description

一种适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法
技术领域
本发明涉及一种VW75稀土镁合金表面处理的工艺方法，尤其涉及一种适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，属于金属材料领域。
背景技术
镁合金被认为是新世纪将广泛用于航空、宇航、电子等高科技领域以及交通运输等支柱产业中最理想、最实用的轻质结构材料，在航空航天存在着广泛的应用前景，适用于飞机航天器的轻质外壳、减震系统元件，也可制作军用直升机齿轮箱、水平旋翼附件、飞机着落轮、齿轮箱盖等。但随着新型系统的升级换代，服役环境越来越苛刻。目前，镁合金在力学性能方面能够保证其作为工程结构材料使用，但基体金属本身的耐温性能、耐蚀性和耐磨性等存在差距而导致零件易失效，而通过在镁合金表面制备防护涂层是提高使用寿命的有效途径。镁合金常见的表面处理方式包括微弧氧化、化学转化以及等离子喷涂等，其中等离子喷涂可以实现表面强度及硬度的同时提升，是目前实现镁合金表面处理研究的方向之一。
国内外以镁合金为基体进行等离子喷涂的研究还很有限，一方面是因为镁是一种非常活泼的金属，如喷涂热源温度过高，控制不当会产生大量火花，存在安全隐患；另一方面由于镁合金与热喷涂中常用的喷涂金属或打底用金属在力学和物理等性能方面存在较大差异，容易在涂层内引发较大内应力，从而降低镁合金与涂层的结合力，这些都制约着等离子喷涂技术在镁合金工业中的应用。冯亚茹等采用等离子喷涂方法在AZ31镁合金表面制备Al65Cu23Fe12涂层，进而提高表面硬度及耐腐蚀性；叶宏等采用普通的等离子喷涂技术(即基材表面预处理-等离子喷涂-涂层热处理的工艺)，在镁合金表面制备了Al2O3+3％TiO2纳米陶瓷涂层，可以提高表面硬度；Buchmann M采用大气等离子喷涂方法，在镁合金表面喷涂TiO2，可以改善镁合金的耐磨性。可见，等离子喷涂可以对提高合金表面硬度、提高耐磨及耐腐蚀性能有显著的益处。
随着航空航天武器装备的发展，新型高温抗氧化镁合金的需求量越来越大，传统耐高温的稀土镁合金已经不能满足需求，所以添加热障涂层是未来实现镁合金阻热特性的有效方法，基于此，本发明提供了一种适用于VW75稀土镁合金等离子喷涂的工艺方法，希望能进一步提高合金的耐热特性。
发明内容
一种适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，包括如下步骤：
(1)先采用丙酮清洗VW75稀土镁合金基体表面，以去除油污，然后对样品表面施加压应力，使晶格发生1～10％的畸变，并采用喷砂机对基体表面进行吹砂预处理；
(2)喷砂后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂砾或灰尘，防止喷砂后的粗糙表面氧化和污染，从各个角度观察喷砂面均无反射亮斑；
(3)在喷砂后1～3h内，在粗化后的基体表面喷涂粘接层，粘接层的材料为NiCrAlY合金粉末；
(4)在粘接层上喷涂面层，面层采用大气等离子喷涂工艺制备，面层材料为纳米颗粒团聚氧化钇部分稳定氧化锆粉末；
(5)喷涂后将试样缓慢冷却至室温，以减少内应力。
步骤(1)中，所述的VW75稀土镁合金的质量百分比组成为：Mg-7Gd-5Y-1Nd-0.6Zr镁合金。
所述的吹砂预处理，采用的砂砾为白刚玉砂，砂砾型号为24型，喷射气压为0.3～0.8MPa，喷砂距离为50～70mm，喷砂角度为60～80°。表层厚度为0.3～0.6mm为宜。
步骤(3)中，所述的NiCrAlY合金粉末，其中按质量百分比计，Cr含量为15～25％，Al含量为3～9％，Y含量为0.2～0.5％，Co、Fe及Si总量小于1％，其余为Ni；粉末粒度分布d(0.5)为70～80μm，喷涂功率为25～35KW，主气流量为40～80SCFH(立方英尺每小时)，辅助气流量为35～55SCFH。喷涂厚度为0.1～0.3mm。
步骤(4)中，所述的纳米颗粒团聚氧化钇部分稳定氧化锆粉末中，按质量百分比计，Y2O3为6.0～8.0％，HfO为0.5～2.5％，其余为ZrO2；粉末粒度分布d(0.5)为50～60μm，喷涂电流为750～900A，喷涂距离为75～95mm，主气流量70～90SCFH，辅气流量35～55SCFH，喷涂速度300～500mm/s，送粉量20～40g/min。喷涂厚度为0.2～0.6mm。
步骤(5)中，喷涂后试样空冷至室温。
本发明的优点：
采用本发明的上述工艺，可以在VW75镁合金表面制备出耐热温度更高的涂层，对于隔绝大厚度的样品来说，可以实现整体性能的稳步提升。为了提升镁合金等离子喷涂的工艺效果，需要对基体表面进行前处理，首先是对样品表面施加压应力，在进行吹砂预处理的过程中，喷射的角度对提升基体表面与粘接层的结合有极大的关系，另外，NiCrAlY粉末的选择是对各个元素含量进行了优选，最后的结合性能是有明显差别的，至于喷涂工艺的参数选择，可以实现在硬度、密度以及沉积率方面体现更多的优势。
具体实施方式
本发明在VW75稀土镁合金表面制备涂层的工艺包括如下步骤：
1.涂层制备前先采用丙酮清洗VW75稀土镁合金的基体表面以去除油污，施加压应力，XRD检测结果显示晶格发生1～10％的畸变为最佳，然后采用喷砂机对基体表面进行吹砂预处理，砂砾种类为白刚玉砂，砂砾型号为24型，喷射气压为0.3～0.8MPa，喷砂距离为50～70mm，喷砂角度为60～80°，表层厚度为0.3～0.6mm为宜。
2.喷砂后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂砾或灰尘，防止喷砂后的粗糙表面氧化和污染，从各个角度观察喷砂面均无反射亮斑时即为合格，试样在喷砂后1～3h内喷涂涂层。
3.粘接层选用NiCrAlY合金粉末，其中按质量百分比计，Cr含量为15～25％，Al含量为3～8％，Y含量为0.2～0.5％，Co、Fe及Si总量小于1％，其余为Ni，粉末粒度分布d(0.5)为70～80μm，喷涂功率25～35KW，主气流量为40～80SCFH(立方英尺每小时)，辅助气流量为35～55SCFH，厚度为0.1～0.3mm。
4.面层采用大气等离子喷涂工艺制备，面层材料为纳米颗粒团聚氧化钇部分稳定氧化锆粉末，按质量百分比计，Y2O3为6.0～8.0％，HfO为0.5～2.5％，其余为ZrO2，粉末粒度分布d(0.5)为50～60μm，喷涂电流为750～900A、喷涂距离75～95mm、主气流量70～90SCFH、辅气流量35～55SCFH、喷涂速度300～500mm/s、送粉量20～40g/min，面层厚度为0.2～0.6mm。
5.喷涂后为减少内应力，将试样空冷至室温。
实施例1-25：
1、前处理阶段：涂层制备前先采用丙酮清洗VW75稀土镁合金的基体表面以去除油污，施加压应力，XRD检测结果显示晶格发生3％的畸变，然后采用喷砂机对基体表面进行吹砂预处理，砂砾种类为白刚玉砂，砂砾型号为24型，喷射气压为0.5MPa，喷砂距离为60mm，喷砂角度为70°，表层厚度为0.3mm，工艺参数见表1。
表1喷涂前处理工艺
Figure BDA0002743036430000031
喷砂后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂砾或灰尘，防止喷砂后的粗糙表面氧化和污染，从各个角度观察喷砂面均无反射亮斑时即为合格，试样在喷砂后1～3h内喷涂涂层。
2.粘接层工艺：粘接层选用NiCrAlY合金粉末，具体成分见表2，粉末粒度分布d(0.5)为70～80μm，喷涂功率30KW，主气流量为75SCFH(立方英尺每小时)，辅助气流量为45SCFH，厚度为0.2mm。
表2粘接层工艺
Figure BDA0002743036430000041
3.面层：面层采用大气等离子喷涂工艺制备，面层材料为纳米颗粒团聚氧化钇部分稳定氧化锆粉末，成分组成见表3，粉末粒度分布d(0.5)为50～60μm。
表3面层材料YSZ粉末化学成分
Figure BDA0002743036430000042
面层喷涂工艺按照表4进行正交设计，表4为不同主要工艺参数的选择，具体参数请见表5。
表4.等离子喷涂工艺参数
Figure BDA0002743036430000043
4.喷涂后为减少内应力，将试样空冷至室温。
对实施例1-25所得的涂层进行性能测试，实验及检测方法：采用美国Praxair公司生产的大气等离子喷涂系统在VW75镁合金试样表面制备涂层。大气等离子喷涂系统主要包括Praxair HPS100型电源系统、Praxair 7700型喷涂控制系统、ABB喷涂机器人、PraxairSG-100P型喷枪、Praxair 1264i型送粉系统等。表5为对应的性能结果。涂层显微硬度测试按照GB 9790-88方法进行。采用FUTURE-TECH FM-700显微硬度计在研磨抛光的涂层截面上进行显微硬度测量，应用程序为Everone SVDM Version 3.93，压头载荷为25g，保荷时间15s，显微硬度值取5个数据的平均值。密度测量采用凡士林涂覆涂层表面，排水法测量，电化学结果采用PARSTAT4000A测得，XRD采用多晶衍射仪测得。沉积率的测定采用质量测量的方法。计算公式为：Γ＝(M2-M1)/M＊100％。M1为喷涂前基体的质量，M2为喷涂后试样的质量，M为喷涂过程累计用粉量。其中M1和M2采用电子天平进行测量，精度为0.01g。
表5实验参数及性能结果
Figure BDA0002743036430000051

Claims (8)

1.一种适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，包括如下步骤：
(1)先采用丙酮清洗VW75稀土镁合金基体表面，以去除油污，然后对样品表面施加压应力，使晶格发生1～10％的畸变，并采用喷砂机对基体表面进行吹砂预处理，喷砂角度为60～80°；
(2)喷砂后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂砾或灰尘，防止喷砂后的粗糙表面氧化和污染，从各个角度观察喷砂面均无反射亮斑；
(3)在喷砂后1～3h内，在粗化后的基体表面喷涂粘接层，粘接层的材料为NiCrAlY合金粉末，按质量百分比计，Cr含量为15～25％，Al含量为3～8％，Y含量为0.2～0.5％，Co、Fe及Si总量小于1％，其余为Ni；粉末粒度分布d(0.5)为70～80μm；
(4)在粘接层上喷涂面层，面层采用大气等离子喷涂工艺制备，面层材料为纳米颗粒团聚氧化钇部分稳定氧化锆粉末；所述的纳米颗粒团聚氧化钇部分稳定氧化锆粉末中，按质量百分比计，Y2O3为6.0～7.34％，HfO为0.5～2.5％，其余为ZrO2，粉末粒度分布d(0.5)为50～60μm；
(5)喷涂后将试样缓慢冷却至室温，以减少内应力。
2.根据权利要求1所述的适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，其特征在于：所述的VW75稀土镁合金的质量百分比组成为：Mg-7Gd-5Y-1Nd-0.6Zr。
3.根据权利要求1所述的适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，其特征在于：所述的吹砂预处理，采用的砂砾为白刚玉砂，砂砾型号为24型。
4.根据权利要求3所述的适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，其特征在于：所述的吹砂预处理中，喷射气压为0.3～0.8MPa，喷砂距离为50～70mm。
5.根据权利要求1所述的适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，其特征在于：喷涂粘接层时，喷涂功率为25～35KW，主气流量为40～80SCFH，辅助气流量为35～55SCFH。
6.根据权利要求1所述的适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，其特征在于：喷涂面层时，喷涂电流为750～900A，喷涂距离为75～95mm，主气流量70～90SCFH，辅气流量35～55SCFH，喷涂速度300～500mm/s，送粉量20～40g/min。
7.根据权利要求1所述的适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，其特征在于：喷涂后试样空冷至室温。
8.根据权利要求1所述的适用于VW75稀土镁合金的等离子喷涂工艺方法，其特征在于：所述的吹砂预处理形成的粗化表面层厚度为0.3-0.6mm；所述的粘接层喷涂时间10秒～30分钟；所述的面层的厚度0.2～0.6mm。
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