CN114686793A - 一种高致密性镍基完全非晶涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高致密性镍基完全非晶涂层及其制备方法，具体涉及一种超音速火焰喷涂制备镍基非晶合金涂层的方法，属于非晶合金涂层领域。一种高致密性镍基完全非晶涂层的制备方法，所述方法为超音速火焰喷涂法，具体为：采用镍基非晶粉末为原料，以空气为助燃气体，使镍基非晶粉末在撞击基板前处于半熔化状态，随后在基板上形成镍基完全非晶涂层。与HVOF和激光熔覆技术制备的镍基非晶复合涂层相比，本发明HVAF喷涂镍基非晶涂层为完全非晶涂层，涂层中的孔隙缺陷少，涂层致密性高，与基体结合强度高，硬度高，从而提高镍基非晶涂层的耐腐蚀性能，推动其作为表面防护涂层材料的应用。

Description

一种高致密性镍基完全非晶涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高致密性镍基完全非晶涂层及其制备方法，具体涉及一种超音速火焰喷涂制备镍基非晶合金涂层的方法，属于非晶合金涂层领域。
背景技术
镍基非晶合金由于其较高的玻璃转变温度和优异的耐腐蚀性而表现出超高强度和高热稳定性。通常，镍基非晶合金都会被制成薄带、粉末和小厚度或直径的线材的形式。因此，非晶合金作为结构材料时会受到玻璃形成能力的限制。然而，通过不同方法在基材上制备的镍基非晶涂层可以克服这一缺点。
目前，制备非晶合金涂层主要采用激光熔覆和热喷涂技术。在激光喷涂中，制备的镍基非晶涂层通常是由非晶相、纳米晶相和金属化合物相组成的复合结构。由于激光喷涂将非晶粉末完全熔化，然后冷却固化形成涂层，因此涂层的非晶含量低，同时涂层内部存在的热应力和残余应力，会在快速冷却过程中容易产生裂纹。此外，目前已经利用等离子喷涂和超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备出部分非晶态镍基合金涂层。HVAF是一种与类似的喷涂工艺，利用空气代替氧气。HVAF具有高焰流速度和低火焰温度，更利于制备的涂层获得非晶态结构，是制备完全镍基非晶合金涂层的最佳方法。
超音速火焰喷涂镍基非晶涂层中的孔隙缺陷是不可避免存在的，孔隙缺陷所致腐蚀导致的涂层分层和剥落是涂层最常见的失效方式之一，大大降低镍基非晶涂层的腐蚀防护效果及使用寿命，从而限制了镍基非晶涂层在各领域的广泛应用。因此，在超音速火焰喷涂过程中，通过优化喷涂工艺参数，减少涂层中孔隙缺陷的数量，这对于提高镍基非晶涂层的耐腐蚀性能起到关键作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高致密性超音速火焰喷涂镍基完全非晶涂层的制备方法，通过选择适宜喷涂镍基非晶涂层的空气压力、丙烷压力、氧燃比、氮气压力、粉末尺寸及喷涂距离，减少涂层中孔隙缺陷的数量，提高涂层的致密性，进而提高镍基非晶涂层的耐腐蚀性能，推动其作为表面防护涂层材料的应用。
一种高致密性镍基完全非晶涂层的制备方法，所述方法为超音速火焰喷涂法(HVAF)，具体为：采用镍基非晶粉末为原料，以空气为助燃气体，使镍基非晶粉末在撞击基板前处于半熔化状态，随后在基板上形成镍基完全非晶涂层。
本发明所述方法获得的涂层的镍基合金全部为非晶材料。
本发明所述镍基非晶粉末为Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3镍基非晶粉末。
本发明所得涂层为Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3镍基非晶合金，该Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3镍基合金为完全非晶合金，即整个涂层材料组成均为非晶。
优选地，燃气为丙烷，其压力为700-970KPa，氧燃比为3。
优选地，所述助燃气体的压力为750-970KPa；氮气压力为500-800KPa。
优选地，所述镍基非晶粉末的尺寸为10-60μm。
优选地，所述镍基非晶粉末的喷涂距离300-400mm，枪管长度：200-280mm，枪管口径：12-16mm。
优选地，喷涂前，对基体进行穿孔和焊丝以便使其固定在模具上进行自动化喷涂，然后，用丙酮对基体进行降脂和清洗，待基体在空气中干燥后，对基体进行喷砂处理以利于涂层与基体间的结合。
本发明的另一目的是提供利用上述方法制得的高致密性镍基完全非晶涂层。
一种高致密性镍基完全非晶涂层，所述涂层全部为镍基非晶合金，孔隙率低于3.5％。
优选为，所述涂层厚度为400-500μm。
优选地，所述涂层孔隙率低于2％。
本发明利用上述工艺参数，喷涂过程中，非晶粉末获得较高的速度，在撞击基板前非晶粉末处于半熔化状态，降低涂层中孔隙缺陷数量。
本发明的有益效果为：本发明提供一种高致密性超音速火焰喷涂镍基完全非晶涂层的制备方法，采用超音速火焰喷涂(HVAF)制备镍基完全非晶涂层，空气作为助燃气体代替氧气，促使非晶粉末在撞击基板前处于半熔化状态，粉末速度较高，从而减少所制备镍基非晶涂层中的孔隙缺陷，提高涂层致密性。
与现有技术相比，本发明具有下述有点：
(1)本发明使用的是HVAF喷涂技术，相对于传统的HVOF喷涂技术具有如下优点：第一、空气助燃，生产成本低，降低喷枪内气体的氧含量，从而降低喷涂材料的氧化；进一步降低了气体和颗粒温度，从而起到改善喷嘴沉积堵塞的程度；HVAF喷涂速率是HVOF的5-10倍，沉积效率也得到了提升；生产安全系数大幅度提高，能源利用率亦大幅度提高。第二、更高的冲击速度，700-1000m/s。第三、HVAF喷涂工艺对能够降低对喷涂材料热退化的影响，制备的涂层具有良好沉积状态和较高的生产效率。
(2)与HVOF和激光熔覆技术制备的镍基非晶复合涂层相比，本发明HVAF喷涂镍基非晶涂层为完全非晶涂层，涂层中的孔隙缺陷少，涂层致密性高，与基体结合强度高，硬度高，从而提高镍基非晶涂层的耐腐蚀性能，推动其作为表面防护涂层材料的应用。
附图说明
图1是实施例1所用的非晶粉体形貌图；
图2是实施例1制备的涂层XRD图；
图3为实施例1制备的涂层表面和截面SEM照片；其中：(a)表面；(b)截面。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中，所述镍基非晶粉末为Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3镍基非晶粉末；所得涂层为Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3镍基完全非晶合金。
实施例1
采用超音速火焰喷涂(HVAF)技术制备镍基非晶涂层，其中：
喷涂前，对基体进行穿孔和焊丝以便使其固定在模具上进行自动化喷涂，然后，用丙酮对基体进行降脂和清洗，待基体在空气中干燥后，对基体进行喷砂处理以利于涂层与基体间的结合。喷涂法工艺参数如下：助燃气体为空气，其压力为900KPa，丙烷作为燃气，其压力为950KPa，氧燃比为3，氮气压力为700KPa，所用非晶粉末尺寸为10-60μm(如图1所示)，喷涂距离为350mm，枪管长度：225mm，枪管口径：15mm。据此制备的镍基非晶涂层厚度为500μm，图2表明所制备的涂层为完全非晶特征。图3是所制备非晶涂层的表面和截面SEM图，由图3(a)可以看出涂层的表面熔化的状态良好，没有未熔颗粒和熔化过度现象，根据图3(b)计算获得涂层的孔隙率为1.89％。
实施例2
采用超音速火焰喷涂(HVAF)技术制备镍基非晶涂层，其中：
喷涂前，对基体进行穿孔和焊丝以便使其固定在模具上进行自动化喷涂，然后，用丙酮对基体进行降脂和清洗，待基体在空气中干燥后，对基体进行喷砂处理以利于涂层与基体间的结合。喷涂法工艺参数如下：助燃气体为空气，其压力为970KPa，丙烷作为燃气，其压力为970KPa，氧燃比为3，氮气压力为800KPa，所用非晶粉末尺寸为10-60μm，喷涂距离为400mm，枪管长度：280mm，枪管口径：16mm。据此制备的镍基非晶涂层厚度为500μm，计算获得涂层的孔隙率为2.94％。
实施例3
采用超音速火焰喷涂(HVAF)技术制备镍基非晶涂层，其中：
喷涂前，对基体进行穿孔和焊丝以便使其固定在模具上进行自动化喷涂，然后，用丙酮对基体进行降脂和清洗，待基体在空气中干燥后，对基体进行喷砂处理以利于涂层与基体间的结合。喷涂法工艺参数如下：助燃气体为空气，其压力为750KPa，丙烷作为燃气，其压力为700KPa，氧燃比为3，氮气压力为500KPa，所用非晶粉末尺寸为10-60μm，喷涂距离为300mm，枪管长度：200mm，枪管口径：12mm。据此制备的镍基非晶涂层厚度为500μm，计算获得涂层的孔隙率为3.41％。
实施例4
采用超音速火焰喷涂(HVAF)技术制备镍基非晶涂层，其中：
喷涂前，对基体进行穿孔和焊丝以便使其固定在模具上进行自动化喷涂，然后，用丙酮对基体进行降脂和清洗，待基体在空气中干燥后，对基体进行喷砂处理以利于涂层与基体间的结合。喷涂法工艺参数如下：助燃气体为空气，其压力为750KPa，丙烷作为燃气，其压力为970KPa，氧燃比为3，氮气压力为800KPa，所用非晶粉末尺寸为10-60μm，喷涂距离为400mm，枪管长度：200mm，枪管口径：16mm。据此制备的镍基非晶涂层厚度为400μm，计算获得涂层的孔隙率为2.84％。
实施例5
采用超音速火焰喷涂(HVAF)技术制备镍基非晶涂层，其中：
喷涂前，对基体进行穿孔和焊丝以便使其固定在模具上进行自动化喷涂，然后，用丙酮对基体进行降脂和清洗，待基体在空气中干燥后，对基体进行喷砂处理以利于涂层与基体间的结合。喷涂法工艺参数如下：助燃气体为空气，其压力为970KPa，丙烷作为燃气，其压力为700KPa，氧燃比为3，氮气压力为800KPa，所用非晶粉末尺寸为10-60μm，喷涂距离为300mm，枪管长度：280mm，枪管口径：12mm。据此制备的镍基非晶涂层厚度为400μm，计算获得涂层的孔隙率为3.16％。
对比例1
与实施例1的不同之处在于：空气压力为700KPa，丙烷压力为1000KPa枪管口径：10mm，枪管长度：180mm，喷涂距离：280mm，氮气压力为450KPa，涂层厚度为600μm。结果：所制备的涂层孔隙率为7.49％，高于实施例1。
对比例2
与实施例1的不同之处在于：空气压力为1000KPa，丙烷压力为650KPa枪管口径：10mm，枪管长度：180mm，喷涂距离：280mm，氮气压力为450KPa，涂层厚度为600μm。结果：所制备的涂层孔隙率为7.89％，高于实施例1。
对比例3
与实施例1的不同之处在于：空气压力为1000KPa，丙烷压力为650KPa枪管口径：10mm，枪管长度：300mm，喷涂距离：280mm，氮气压力为850KPa，涂层厚度为600μm。结果：所制备的涂层孔隙率为6.84％，高于实施例1。
对比例4
与实施例1的不同之处在于：空气压力为1000KPa，丙烷压力为650KPa枪管口径：18mm，枪管长度：180mm，喷涂距离：280mm，氮气压力为450KPa，涂层厚度为600μm。结果：所制备的涂层孔隙率为6.97％，高于实施例1。
对比例5
与实施例1的不同之处在于：空气压力为700KPa，丙烷压力为1000KPa枪管口径：10mm，枪管长度：300mm，喷涂距离：280mm，氮气压力为850KPa，涂层厚度为300μm。结果：所制备的涂层孔隙率为5.73％，高于实施例1。
对比例6
与实施例1的不同之处在于：空气压力为700KPa，丙烷压力为1000KPa枪管口径：18mm，枪管长度：180mm，喷涂距离：280mm，氮气压力为850KPa，涂层厚度为600μm。结果：所制备的涂层孔隙率为6.08％，高于实施例1。
对比例7
与实施例1的不同之处在于：空气压力为1000KPa，丙烷压力为650KPa，枪管口径：18mm，枪管长度：300mm，喷涂距离：420mm，氮气压力为450KPa，涂层厚度为300μm。结果：所制备的涂层孔隙率为6.01％，高于实施例1。
对比例8
与实施例1的不同之处在于：空气压力为700KPa，丙烷压力为1000KPa，枪管口径：18mm，枪管长度：300mm，喷涂距离：420mm，氮气压力为850KPa，涂层厚度为300μm。结果：所制备的涂层孔隙率为5.93％，高于实施例1。
对比例9
与实施例1的不同之处在于：空气压力为700KPa，丙烷压力为1000KPa，枪管口径：10mm，枪管长度：300mm，喷涂距离：420mm，氮气压力为450KPa，涂层厚度为600μm。结果：所制备的涂层孔隙率为4.79％，高于实施例1。
对比例10
与实施例1的不同之处在于：空气压力为700KPa，丙烷压力为1000KPa，枪管口径：18mm，枪管长度：200mm，喷涂距离：420mm，氮气压力为450KPa，涂层厚度为300μm。结果：所制备的涂层孔隙率为5.15％，高于实施例1。
对比例11
与实施例1的不同之处在于：空气压力为1000KPa，丙烷压力为650KPa，枪管口径：10mm，枪管长度：300mm，喷涂距离：420mm，氮气压力为850KPa，涂层厚度为300μm。结果：所制备的涂层孔隙率为4.97％，高于实施例1。
对比例12
与实施例1的不同之处在于：空气压力为1000KPa，丙烷压力为650KPa，枪管口径：18mm，枪管长度：180mm，喷涂距离：420mm，氮气压力为850KPa，涂层厚度为300μm。结果：所制备的涂层孔隙率为5.38％，高于实施例1。

Claims (9)

1.一种高致密性镍基完全非晶涂层的制备方法，其特征在于：所述方法为超音速火焰喷涂法，具体为：采用镍基非晶粉末为原料，以空气为助燃气体，使镍基非晶粉末在撞击基板前处于半熔化状态，随后在基板上形成镍基完全非晶涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：燃气为丙烷，其压力为700-970KPa，氧燃比为3。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述助燃气体的压力为750-970KPa；氮气压力为500-800KPa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述镍基非晶粉末的尺寸为10-60μm。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述镍基非晶粉末的喷涂距离300-400mm，枪管长度：200-280mm，枪管口径：12-16mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：喷涂前，对基体进行穿孔和焊丝以便使其固定在模具上进行自动化喷涂，然后，用丙酮对基体进行降脂和清洗，待基体在空气中干燥后，对基体进行喷砂处理以利于涂层与基体间的结合。
7.权利要求1～6任一项所述方法制得的高致密性镍基完全非晶涂层，其特征在于：所述涂层全部为镍基非晶合金，孔隙率低于3.5％。
8.根据权利要求7所述的涂层，其特征在于：所述涂层厚度为400-500μm。
9.根据权利要求7所述的涂层，其特征在于：所述涂层孔隙率低于2％。
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