CN115094409B - 一种含镉涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涂层技术领域，尤其涉及一种含镉涂层的制备方法。该方法包括以下步骤：a)将镉粉和钴粉在液相介质中混合，干燥，得到混合粉料；b)以混合粉料作为喷涂材料，在外加磁场存在下对基体表面进行冷喷涂，得到含镉涂层；外加磁场的磁场方向与冷喷涂的方向一致。本发明提供的方法利用冷喷涂工艺与外加磁场辅助，通过在镉粉中加入钴粉，使混合粉末可以受到外加磁场的吸引，增加粒子的喷涂速度，从而可以有效控制粉末飞溅的程度，提升涂层的制备效率及涂层质量。该方法制备的含镉涂层具有涂层厚度均匀、致密且厚度可控的优点，且喷涂过程对金属基体损伤较小，涂层成分氧化率较低，显著提高涂层制备效率的同时有效避免了氢脆及镉污染的隐患。
Description
技术领域
本发明属于涂层技术领域，尤其涉及一种含镉涂层的制备方法。
背景技术
随着军用战机、舰船型号的快速发展，对金属零部件在海洋环境条件下高湿度、高盐雾防护提出了更高的要求。镉是具有银白色金属光泽的软质金属，在高温或海洋气候下，镉涂层作为牺牲性阳极层保护金属基体不受盐雾的腐蚀。目前金属零部件表面通常采用电镀的方法制备镉涂层，该工艺制备的涂层虽然具有较好的防腐蚀性能，但是受自身工艺条件限制难以实现对金属零件部分区域涂层均匀制备且制备效率较低，无法实现大厚度的涂层制备；同时传统电镀工艺存在着氢脆及环境污染的隐患。因此，研发新的镉涂层制备方法是当前研究的重点之一。
冷喷涂技术是近十年来发展起来的一种先进、新型表面新技术，该技术能够在不同的基体材料上喷涂低熔点金属、合金、塑料和合成材料；同时加热温度较低，涂层基本无氧化现象，相变少，能够较好地保留最初粒子的物性，对基体的热影响很小，使得涂层与基体间的热应力减少；而且设备相对简单，喷涂粒子可回收使用。该方法用于镉涂层喷涂可以实现喷涂位置及涂层厚度均匀可控，有效避免了氢脆隐患及水质污染。但是在利用冷喷涂制备镉涂层时，由于冷喷涂的加热温度较低，粉末基本呈固态，粉末经高压气体加速后撞击在基体表面，未沉积的粒子发生飞溅必然会减缓后续粒子的飞行速度，进而降低涂层的沉积，严重影响冷喷涂的制备效率，同时在镉粒子在冷喷涂的过程中的飞溅至空气中易引起镉中毒，危害操作人员的健康安全。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含镉涂层的制备方法，本发明提供的方法能够有效提升涂层的制备效率及涂层质量，且可以很好的抑制冷喷涂过程中镉粒子的飞溅，避免镉污染。
本发明提供了一种含镉涂层的制备方法，包括以下步骤：
a)将镉粉、钴粉和液相介质混合，干燥，得到混合粉料；
b)以所述混合粉料作为喷涂材料，在外加磁场存在下对基体表面进行冷喷涂，得到含镉涂层；
所述外加磁场的磁场方向与冷喷涂的方向一致。
优选的，步骤a)中，所述镉粉的粒径为10～20μm；所述钴粉的粒径为20～30μm；所述镉粉和钴粉的质量比为100：(1～5)。
优选的，步骤a)中，所述液相介质为水和乙醇的混合液；所述水和乙醇的体积比为1：(0.5～2)。
优选的，步骤b)中，所述基体的材料为钢、铝合金或钛合金。
优选的，步骤b)中，进行冷喷涂前，先对所述基体表面进行预热；所述预热的温度为150～200℃。
优选的，步骤b)中，所述外加磁场的强度为10000～20000高斯。
优选的，步骤b)中，所述冷喷涂的喷涂距离为20～40mm；所述冷喷涂所用载气为氮气或压缩空气；所述冷喷涂的气压为0.4～0.6MPa；所述冷喷涂的送粉率为2～4g/s；所述冷喷涂的喷涂温度为200～300℃；所述冷喷涂的喷枪移动速度为600～800mm/s。
优选的，步骤b)中，所述基体为表面经过喷砂处理的基体。
优选的，所述喷砂处理所采用的沙粒为氧化铝颗粒；所述沙粒的粒径为80～100目；所述喷砂处理的喷砂压力为0.3～0.4MPa；所述喷砂处理的喷砂流量为3～4L/min；所述喷砂处理的喷砂角度为60～80°；所述喷砂处理的喷砂距离为30～50cm。
优选的，步骤b)中，所述含镉涂层的厚度为0.2～0.5mm。
与现有技术相比，本发明提供了一种含镉涂层的制备方法。本发明提供的方法包括以下步骤：a)将镉粉和钴粉在液相介质中混合，干燥，得到混合粉料；b)以所述混合粉料作为喷涂材料，在外加磁场存在下对基体表面进行冷喷涂，得到含镉涂层；所述外加磁场的磁场方向与冷喷涂的方向一致。本发明提供的方法利用冷喷涂工艺与外加磁场辅助，通过在镉粉中加入钴粉，使混合粉末可以受到外加磁场的吸引，增加粒子的喷涂速度，从而可以有效控制粉末飞溅的程度，提升涂层的制备效率及涂层质量。该方法制备的含镉涂层具有涂层厚度均匀、致密且厚度可控的优点，且喷涂过程对金属基体损伤较小，涂层成分氧化率较低，显著提高涂层制备效率的同时有效避免了氢脆及镉废水环境污染的隐患。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的含镉涂层的微观形貌图；
图2是本发明对比例1提供的镉涂层的微观形貌图。
具体实施方式
下面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。
本发明提供了一种含镉涂层的制备方法，包括以下步骤：
a)将镉粉、钴粉和液相介质混合，干燥，得到混合粉料；
b)以所述混合粉料作为喷涂材料，在外加磁场存在下对基体表面进行冷喷涂，得到含镉涂层；
所述外加磁场的磁场方向与冷喷涂的方向一致。
在本发明提供的制备方法中，步骤a)中，所述镉粉的粒径优选为10～20μm，具体可为10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm；所述钴粉的粒径优选为20～30μm，具体可为20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm或30μm；所述镉粉和钴粉的质量比优选为100：(1～5)，具体可为100:1、100:1.5、100:2、100:2.5、100:3、100:3.5、100:4、100:4.5或100:5。
在本发明提供的制备方法中，步骤a)中，所述液相介质优选为水和乙醇的混合液；所述水和乙醇的体积比优选为1：(0.5～2)，具体可为1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9或1:2。
在本发明提供的制备方法中，步骤a)中，所述镉粉和钴粉的合计质量与所述液相介质体积的比优选为(50～200)g：10mL，具体可为50g:10mL、60g:10mL、70g:10mL、80g:10mL、90g:10mL、100g:10mL、110g:10mL、120g:10mL、130g:10mL、140g:10mL、150g:10mL、160g:10mL、170g:10mL、180g:10mL、190g:10mL或200g:10mL。
在本发明提供的制备方法中，步骤a)中，所述混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速度优选为100～500rpm，具体可为100rpm、150rpm、200rpm、250rpm、300rpm、350rpm、400rpm、450rpm或500rpm；所述混合的时间优选为3～5h，具体可为3h、3.2h、3.5h、3.7h、4h、4.2h、4.5h、4.7h或5h。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，所述基体的材料优选为钢、铝合金或钛合金。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，所述基体优选为表面经过喷砂处理的基体。其中，所述喷砂处理所采用的沙粒优选为氧化铝颗粒；所述沙粒的粒径优选为80～100目，具体可为80目、85目、90目、95目或100目；所述喷砂处理的喷砂压力优选为0.3～0.4MPa，具体可为0.3MPa、0.32MPa、0.35MPa、0.37MPa或0.4MPa；所述喷砂处理的喷砂流量优选为3～4L/min，具体可为3L/min、3.2L/min、3.5L/min、3.7L/min或4L/min；所述喷砂处理的喷砂角度优选为60～80°，具体可为60°、65°、70°、75°或80°；所述喷砂处理的喷砂距离优选为30～50cm，具体可为30cm、35cm、40cm、45cm或50cm。
在本发明提供的制备方法中，所述基体进行所述喷砂处理前，优选在丙酮中进行超声清洗。其中，所述超声清洗的时间优选为10～60min，具体可为10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min。
在本发明提供的制备方法中，所述基体进行所述喷砂处理后，优选利用丙酮及压缩空气清理基体表面残余沙粒至表面洁净。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，进行冷喷涂前，优选先对所述基体表面进行预热。其中，所述预热的温度优选为150～200℃，具体可为150、155、160、165、170、175、180、185、190、195或200；所述预热的时间优选为1～3s，具体可为1s、1.2s、1.5s、1.7s、2s、2.3s、2.5s、2.7s或3s。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，所述外加磁场的强度优选为10000～20000高斯，具体可为10000高斯、11000高斯、12000高斯、13000高斯、14000高斯、15000高斯、16000高斯、17000高斯、18000高斯、19000高斯、20000高斯。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，所述冷喷涂的喷涂距离优选为20～40mm，具体可为20mm、25mm、30mm、35mm或40mm；所述冷喷涂所用载气优选为氮气或压缩空气；所述冷喷涂的气压优选为0.4～0.6MPa，具体可为0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa或0.6MPa；所述冷喷涂的送粉率优选为2～4g/s，具体可为2g/s、2.5g/s、3g/s、3.5g/s或4g/s；所述冷喷涂的喷涂温度优选为200～300℃，具体可为200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃或300℃；所述冷喷涂的喷枪移动速度优选为600～800mm/s，具体可为600mm/s、650mm/s、700mm/s、750mm/s或800mm/s。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，所述含镉涂层的厚度优选为0.2～0.5mm，具体可为0.2mm、0.23mm、0.25mm、0.27mm、0.3mm、0.32mm、0.35mm、0.37mm、0.4mm、0.42mm、0.45mm、0.47mm或0.5mm。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，利用秒表记录冷喷涂过程时间。
本发明提供的方法能够有效提升涂层的制备效率及涂层质量，且可以很好的抑制冷喷涂过程中镉粒子的飞溅，避免镉污染。更具体来说，本发明提供的方法至少具有以下优点：
1)利用冷喷涂工艺与外加磁场辅助，通过在镉粉中加入钴粉，使混合粉末可以收到外加磁场的吸引，增加粒子的喷涂速度，可以有效控制粉末飞溅的程度，提升涂层的制备效率；
2)制备的镉涂层具有涂层厚度均匀、致密且厚度可控，喷涂过程对金属基体损伤较小，涂层成分氧化率较低，显著提高涂层制备效率的同时有效避免了氢脆及镉废水环境污染的隐患；
3)可以实现零件局部选区喷涂，目的是实现局部腐蚀损伤区涂层再制造，避免涂层整体去除后再进行零件全尺寸电镀的繁琐修复过程，提高维修效率、节省维修成本。
为更清楚起见，下面通过以下实施例和对比例进行详细说明。
实施例1
步骤1：将喷涂金属基材料零件浸泡在丙酮中超声清洗表面油污；
步骤2：室温下，将镉粉与钴粉在水和乙醇的混合液中机械搅拌，干燥，得到混合粉料；
步骤3：将上述完成处理的金属基材料零件表面利用空压机进行喷砂处理，喷砂后利用丙酮及压缩空气清理零件表面残余沙粒至表面洁净；
步骤4：将上述处理洁净的金属基材料零件夹持在工装上，在工装背后添加辅助磁场；以上述混合粉料作为喷涂材料，采用冷喷涂的方式，对金属基材料零件表面进行冷喷涂，得到厚度为0.4mm的含镉涂层，利用秒表记录冷喷涂制备含镉涂层的时间。
步骤1中，金属基材料为钢基体；超声时间为30min；
步骤2中，镉粉粒径为20μm，钴粉粒径为25μm，镉粉与钴粉的质量比为100:2；水和乙醇的体积比为1:1；镉粉和钴粉的合计质量与混合液体积的比为100g:10mL；搅拌速度为200rpm，搅拌时间4h；
步骤3中，喷砂参数为：沙粒采用80目氧化铝，喷砂压力0.3MPa，喷砂流量3L/min，喷砂角度80°，喷砂距离30cm；
步骤4中，所加磁场的强度为12000高斯；冷喷涂工艺中包括喷前预热，喷前预热是指喷枪在首次喷涂前2s内对金属基体表面进行加热；冷喷涂的工艺参数为:喷涂距离20mm，冷喷涂气体为氮气，气体压力为0.6MPa，送粉率为2g/s，喷涂温度为200℃，喷枪移动速度为600mm/s，喷前预热温度为170℃，冷喷涂所用时间为5min。
对本实施例制备的含镉涂层进行扫描电镜观察，结果如图1所示，通过图1可以看出，在外加磁场辅助下冷喷涂制备的含镉涂层厚度均匀且致密度高。
实施例2
步骤1：将喷涂金属基材料零件浸泡在丙酮中超声清洗表面油污；
步骤2：室温下，将镉粉与钴粉在水和乙醇的混合液中机械搅拌，干燥，得到混合粉料；
步骤3：将上述完成处理的金属基材料零件表面利用空压机进行喷砂处理，喷砂后利用丙酮及压缩空气清理零件表面残余沙粒至表面洁净；
步骤4：将上述处理洁净的金属基材料零件夹持在定制工装上，在工装背后添加辅助磁场；以上述混合粉料作为喷涂材料，采用冷喷涂的方式，对金属基材料零件表面进行冷喷涂，得到厚度为0.5mm的含镉涂层，利用秒表记录冷喷涂制备含镉涂层的时间。
步骤1中，金属基材料为铝合金基体；超声时间为35min；
步骤2中，镉粉粒径为15μm，钴粉粒径为28μm，镉粉与钴粉的质量比为100:3；水和乙醇的体积比为1:1；镉粉和钴粉的合计质量与混合液体积的比为100g:10mL；搅拌速度为200rpm，搅拌时间4h；
步骤3中，喷砂参数为：沙粒采用100目氧化铝，喷砂压力0.4MPa，喷砂流量4L/min，喷砂角度70°，喷砂距离32cm；
步骤4中，所加磁场的强度为13000高斯；冷喷涂工艺中包括喷前预热，喷前预热是指喷枪在首次喷涂前3s内对金属基体表面进行加热；冷喷涂的工艺参数为：喷涂距离25mm，冷喷涂气体为压缩空气，气体压力为0.4MPa，送粉率为3g/s，喷涂温度为220℃，喷枪移动速度为700mm/s，喷前预热温度为180℃，冷喷涂所用时间为6min。
实施例3
步骤1：将喷涂金属基材料零件浸泡在丙酮中超声清洗表面油污；
步骤2：室温下，将镉粉与钴粉在水和乙醇的混合液中机械搅拌，干燥，得到混合粉料；
步骤3：将上述完成处理的金属基材料零件表面利用空压机进行喷砂处理，喷砂后利用丙酮及压缩空气清理零件表面残余沙粒至表面洁净；
步骤4：将上述处理洁净的金属基材料零件夹持在定制工装上，在工装背后添加辅助磁场；以上述混合粉料作为喷涂材料，采用冷喷涂的方式，对金属基材料零件表面进行冷喷涂，得到厚度为0.3mm的含镉涂层，利用秒表记录冷喷涂制备含镉涂层的时间。
步骤1中，金属基材料包括钛合金基体；超声时间为25min；
步骤2中，镉粉粒径为18μm，钴粉粒径为26μm，镉粉与钴粉的质量比为100:3；水和乙醇的体积比为1:1；镉粉和钴粉的合计质量与混合液体积的比为100g:10mL；搅拌速度为200rpm，搅拌时间4.5h；
步骤3中，喷砂参数为：沙粒采用100目氧化铝，喷砂压力0.4MPa，喷砂流量3L/min，喷砂角度80°，喷砂距离40cm；
步骤4中，所加磁场的强度为15000高斯；冷喷涂工艺中包括喷前预热，喷前预热是指喷枪在首次喷涂前2s内对金属基体表面进行加热；冷喷涂的工艺参数为喷涂距离20mm，冷喷涂气体为氮气，气体压力为0.5MPa，送粉率为3g/s，喷涂温度为280℃，喷枪移动速度为800mm/s，喷前预热温度为150℃，冷喷涂所用时间为3.5min。
对比例1
参见实施例1的方法步骤，其区别仅在于，省略步骤2，直接以镉粉作为喷涂材料，得到厚度为0.4mm的镉涂层，冷喷涂所用时间为6.5min。
对本对比例制备的镉涂层进行扫描电镜观察，结果如图2所示，图2中的镉涂层具有较多的孔隙，不如图1涂层致密，同时在相同条件下外加磁场辅助冷喷涂制备含镉涂层有效减小了制备时间，提高了涂层的制备效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种含镉涂层的制备方法，包括以下步骤：
a)将镉粉、钴粉和液相介质混合，干燥，得到混合粉料；
所述镉粉的粒径为10～20μm；所述钴粉的粒径为20～30μm；所述镉粉和钴粉的质量比为100：(1～5)；
b)以所述混合粉料作为喷涂材料，在外加磁场存在下对基体表面进行冷喷涂，得到含镉涂层；
所述外加磁场的磁场方向与冷喷涂的方向一致。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述液相介质为水和乙醇的混合液；所述水和乙醇的体积比为1：(0.5～2)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述基体的材料为钢、铝合金或钛合金。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，进行冷喷涂前，先对所述基体表面进行预热；所述预热的温度为150～200℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述外加磁场的强度为10000～20000高斯。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述冷喷涂的喷涂距离为20～40mm；所述冷喷涂所用载气为氮气或压缩空气；所述冷喷涂的气压为0.4～0.6MPa；所述冷喷涂的送粉率为2～4g/s；所述冷喷涂的喷涂温度为200～300℃；所述冷喷涂的喷枪移动速度为600～800mm/s。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述基体为表面经过喷砂处理的基体。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述喷砂处理所采用的沙粒为氧化铝颗粒；所述沙粒的粒径为80～100目；所述喷砂处理的喷砂压力为0.3～0.4MPa；所述喷砂处理的喷砂流量为3～4L/min；所述喷砂处理的喷砂角度为60～80°；所述喷砂处理的喷砂距离为30～50cm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述含镉涂层的厚度为0.2～0.5mm。
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