CN114086106A - 一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法 - Google Patents

一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，包括如下步骤：步骤一、对基材表面进行前处理；步骤二、对前处理后的基材进行预热；步骤三、采用等离子转移弧喷涂方式对前处理后的基材表面喷涂粉芯丝材；其中，所述粉芯丝材的填充粉为陶瓷颗粒粉末，带材为Al；喷涂过程中工作电流和维弧电流的之和为150～200A，并且所述工作电流大于所述维弧电流；喷涂主气为氩气，喷涂主气的流量为100～120L/min；喷涂辅气为氢气，喷涂辅气的流量为4～6L/min。采用本发明提供的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，制备的陶瓷颗粒增强的铝基复合涂层孔隙率低，硬度高，涂层的耐腐蚀性能和耐磨损优异。

Description

一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层 的方法
技术领域
本发明属于复合涂层喷涂技术领域，特别涉及一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法。
背景技术
铝及其合金因具有良好的耐腐蚀性被广泛的应用于海洋领域。但是，铝涂层的硬度低使得涂层在复杂工况中的应用得到了限制。陶瓷材料具有高强度，弹性模量和耐磨性，将其作为增强物加入铝涂层中制备铝基陶瓷复合涂层，可以很大程度上提高涂层的使用寿命。通过热喷涂Al/SiC混合粉末材料可以成功的制备铝基陶瓷复合涂层，但是制备粉末的成本高，而且粉末喷涂制备涂层的沉积速率慢和喷涂设备复杂。相比之下，丝材喷涂展现出很大的优势。以铝为带材，陶瓷颗粒为填充粉末制备粉芯丝材，通过电弧喷涂铝基粉芯丝材可以成功的制备铝基复合涂层。
电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层的技术。电弧喷涂是制备防腐蚀、耐磨损涂层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方法。以铝为带材，陶瓷颗粒为填充粉末制备粉芯丝材，通过电弧喷涂铝基粉芯丝材可以成功的制备铝基复合涂层，复合涂层的耐磨性能相较于铝涂层有明显的提高。
尽管电弧喷涂粉芯丝材可以制备出铝基复合涂层，但是电弧喷涂技术制备的涂层孔隙率高，致密性差；另一方面，由于电弧喷涂粒子飞行速度小，导致涂层与基体结合强度较差，涂层在服役过程中容易脱落，很大程度上降低了涂层的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其采用等离子转移弧喷涂方式，并且通过合理设置喷涂过程中的工艺参数，能够制备得到具有高结合强度、低孔隙率的耐腐蚀、耐磨损防护涂层。
本发明提供的技术方案为：
一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，包括如下步骤：
步骤一、对基材表面进行前处理；
步骤二、对前处理后的基材进行预热；
步骤三、采用等离子转移弧喷涂方式对前处理后的基材表面喷涂粉芯丝材；
其中，所述粉芯丝材的填充粉为陶瓷颗粒粉末，带材为Al；
喷涂过程中工作电流和维弧电流的之和为150～200A，并且所述工作电流大于所述维弧电流；
喷涂主气为氩气，喷涂主气的流量为100～120L/min；
喷涂辅气为氢气，喷涂辅气的流量为4～6L/min。
优选的是，所述陶瓷颗粒粉末为SiC粉末。
优选的是，所述基材与等离子喷枪的喷嘴之间的距离为100mm，所述粉芯丝材与所述等离子喷枪的喷嘴之间的距离为10mm。
优选的是，喷涂的送丝速度为0.18m/min。
优选的是，所述维弧电流为50A。
优选的是，所述粉芯丝材的填充率为27％，SiC粉末的粒径为100～200μm。
优选的是，在所述步骤一中，对基材表面进行前处理，包括如下步骤：
步骤1、对基材表面先进行除油去污和打磨除锈处理；
步骤2、对除锈处理后的基材用丙酮超声波清洗后，放入烘干箱烘干；
步骤3、对烘干后的基材采用白刚玉进行喷砂处理。
优选的是，在所述步骤3中，采用24#白玉刚对基材进行喷砂处理。
优选的是，在所述步骤二中，基材进行预热的温度为60～80℃。
本发明所述的有益效果是：
本发明提供的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，采用等离子转移弧丝材喷涂工艺，粒子束具有温度高、速度高的双高优势；并且通过合理设置喷涂工艺参数，大大提高了沉积涂层的结合强度和致密性。
本发明制备的陶瓷颗粒增强的铝基复合涂层孔隙率低，硬度高，涂层的耐腐蚀性能和耐磨损优异。
附图说明
图1为本发明所述的等离子转移弧丝材喷涂工艺原理示意图。
图2a为实施例1制备的陶瓷颗粒增强Al基复合涂层的截面形貌图。
图2b为对比例1制备的纯铝涂层的截面形貌图。
图3为实施例2中制备SiC增强的Al基复合涂层与对比例1中制备的纯铝涂层的腐蚀极化曲线图。
图4a为对比例1中制备的纯铝涂层磨痕形貌图。
图4b为实施例2中制备SiC增强的Al基复合涂层的磨痕形貌图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供了一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，具体喷涂过程如下：
一、对基材表面进行前处理
对基材表面先进行除油去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后放入烘干箱烘干，最后用白刚玉进行喷砂处理。
作为优选，采用24#白刚玉对烘干后的基材进行喷砂处理。
二、对前处理后的基材进行预热
对喷砂处理后的基材采用喷枪预热的方式进行预热，温度控制在60～80℃。
三、采用等离子转移弧喷涂方式对前处理后的基材表面喷涂粉芯丝材
本发明为满足腐蚀、磨损的复杂工况，采用陶瓷颗粒粉末为填充粉，Al为带材的粉芯丝材，通过等离子转移弧丝材工艺将粉芯丝材充分熔化后喷涂在金属基材上，得到具有一定耐蚀性、耐磨性的复合涂层。等离子转移弧丝材喷涂原理图如图1所示，共有两个阳极，一个阴极，大电流(工作电流)阳极将等离子弧引出喷枪，达到熔融丝材的效果，小电流(维弧电流)阳极起维持等离子弧稳定的作用。
喷涂过程中工作电流和维弧电流的之和为150～200A，并且所述工作电流大于所述维弧电流。其中，喷涂主气为氩气，喷涂主气的流量为100～120L/min；喷涂辅气为氢气，喷涂辅气的流量为4～6L/min。
作为进一步的优选，将维弧电流设定为50A，通过改变工作电流的数值来使丝材达到充分熔融的效果。其中，工作电流的取值范围为50～70A。
在另一种实施例中，所述基材与等离子喷枪的喷嘴之间的距离为100mm，所述粉芯丝材与所述等离子喷枪的喷嘴之间的距离为10mm。
在另一种实施例中，喷涂的送丝速度为0.18m/min。
在另一种实施例中，所述陶瓷颗粒粉末采用SiC粉粉末，所述粉芯丝材的填充率为27％，SiC粉末的粒径为100～200μm。
实施例1
以50×10×1mm的长方形316不锈钢板作为基材，对作为基材的不锈钢长条表面先进行除油去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后放入烘干箱烘干，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用等离子转移弧丝材喷涂工艺，以直径为2mm的Al基粉芯丝材(填充27％SiC粉)为喷涂原料，在上述预处理表面的基材表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层，喷涂工艺参数具体为：工作电流和维弧电流的之和为150～160A，主气(氩气)流量为115～120L/min，辅气(氢气)流量为6L/min，粉芯丝材与喷嘴的距离为10mm，喷涂距离(等离子喷枪的喷嘴之间的距离)为100mm，送丝速度0.18m/s。
实施例2
以10×10×1mm的正方形316不锈钢板作为基材，对作为基材的不锈钢表面先进行除油去污和打磨除锈，然后用丙酮超声波清洗，清洗后放入烘干箱烘干，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用等离子转移弧丝材喷涂工艺，以直径为2mm的Al基粉芯丝材(填充27％SiC粉)为喷涂原料，在上述预处理表面的基材表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层，喷涂工艺参数具体为：工作电流和维弧电流的之和为150～160A，主气(氩气)流量为115～120L/min，辅气(氢气)流量为6L/min，粉芯丝材与喷嘴的距离为10mm，喷涂距离(等离子喷枪的喷嘴之间的距离)为100mm，送丝速度0.18m/s。
对比例1
以50×10×1mm的长方形316不锈钢板作为基材，采用等离子转移弧丝材喷涂工艺制备纯铝防护涂层。其中，等离子转移弧丝材技术工艺参数是：电流190～200A，氩气100～110L/min，丝材与喷嘴的距离10mm，喷涂距离100mm，送丝速度0.18m/s。
经测试，实施例1和2中制备的SiC增强的Al基复合涂层平均硬度为75HV0.1，孔隙率为1.2％，平均结合强度为37.5MPa，腐蚀电流密度为1.984e-6A·cm-2，涂层在室温下的摩擦系数在0.75～0.8范围，磨损率为0.0016mm3(N*m)-1。
实施例1和对比例1中制备的涂层分别如图2a和图2b所示，如图2a所示，实施例1中制备的陶瓷颗粒增强Al基复合涂层内部结构致密，无裂纹和明显孔洞，涂层孔隙率为1.2％；对比例1中制备的纯铝防护涂层明显存在层间裂纹及孔洞缺陷，涂层致密性较差。
将实施例2中制备SiC增强的Al基复合涂层与对比例1中制备的纯铝涂层在3.5％的NaCl溶液中进行腐蚀测试，得到的两种涂层的性能对比如表1所示，腐蚀极化曲线如图3所示。从图3中可以看出，相对于对比例1中制备的纯铝涂层实施例2中制备SiC增强的Al基复合涂层的腐蚀电位明显正移，结合表1数据，Al-SiC复合涂层的腐蚀电流密度为4.385e- 7A·cm-2，纯铝涂层的腐蚀电流密度为1.984e-6A·cm-2，复合涂层的腐蚀速度更加慢，可见，Al-SiC复合涂层的耐腐蚀性能更好。
表1涂层耐腐蚀性能对比表
涂层体系 Ecorr(VvsSCE) Icorr(Acm<sup>-2</sup>) Rp(Ωcm<sup>2</sup>)
Al coating(对比例1) -0.899 1.984e<sup>-6</sup> 21030
Al/SiC coating(实施例2) -0.776 4.385e<sup>-7</sup> 27973
将实施例2中制备SiC增强的Al基复合涂层与对比例1中制备的纯铝涂层进行耐磨性能测试，图4b是实施例2中制备SiC增强的Al基复合涂层的磨痕形貌，图4a为对比例1中制备的纯铝涂层磨痕形貌，可以看出，实施例2中制备的复合涂层的磨痕宽度相对较窄，可见，实施例2中制备的Al-SiC复合涂层的耐磨损性能相对较好。
本发明采用等离子转移弧丝材喷涂技术，制备了结合强度高致密性能好的SiC颗粒增强铝基复合涂层，提高了Al基涂层的耐腐蚀性、耐磨性，有效延长了在复杂工况下零部件的使用寿命。本发明通过合理设置喷涂过程中的工艺参数，使离子转移弧丝材喷涂Al基粉芯丝材的优势最大化，这大大提高了涂层的层间结合力、降低孔隙等微观缺陷的发生。纯Al及其合金涂层相比，本发明中加入SiC陶瓷颗粒不仅能够提高涂层的整体硬度，改善涂层的耐磨损性能，而且对于涂层的耐腐蚀性能也有很大的贡献。
本发明所述的陶瓷颗粒粉末的不仅仅局限于SiC粉末，还包括其他的陶瓷粉末；带材不仅仅包括Al及其合金，还包括Fe基、Ni基等带材，粉芯丝材的填充率和直径也可根据需要进行相应的调整。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对基材表面进行前处理；
步骤二、对前处理后的基材进行预热；
步骤三、采用等离子转移弧喷涂方式对前处理后的基材表面喷涂粉芯丝材；
其中，所述粉芯丝材的填充粉为陶瓷颗粒粉末，带材为Al；
喷涂过程中工作电流和维弧电流的之和为150～200A，并且所述工作电流大于所述维弧电流；
喷涂主气为氩气，喷涂主气的流量为100～120L/min；
喷涂辅气为氢气，喷涂辅气的流量为4～6L/min。
2.根据权利要求1所述的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒粉末为SiC粉末。
3.根据权利要求2所述的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，所述基材与等离子喷枪的喷嘴之间的距离为100mm，所述粉芯丝材与所述等离子喷枪的喷嘴之间的距离为10mm。
4.根据权利要求3所述的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，喷涂的送丝速度为0.18m/min。
5.根据权利要求4所述的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，所述维弧电流为50A。
6.根据权利要求4或5所述的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，所述粉芯丝材的填充率为27％，SiC粉末的粒径为100～200μm。
7.根据权利要求6所述的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，在所述步骤一中，对基材表面进行前处理，包括如下步骤：
步骤1、对基材表面先进行除油去污和打磨除锈处理；
步骤2、对除锈处理后的基材用丙酮超声波清洗后，放入烘干箱烘干；
步骤3、对烘干后的基材采用白刚玉进行喷砂处理。
8.根据权利要求7所述的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，在所述步骤3中，采用24#白玉刚对基材进行喷砂处理。
9.根据权利要求8所述的等离子转移弧丝材喷涂制备陶瓷颗粒增强铝基复合涂层的方法，其特征在于，在所述步骤二中，基材进行预热的温度为60～80℃。
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