CN102041500A - 一种高致密还原性金属涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高致密还原性金属涂层的制备方法，包含以下步骤：1)清理基体表面，得到干燥光滑表面；2)对所得的干燥光滑表面进行毛化处理，得到有一定粗糙度的新鲜表面的工件，粗糙度范围为Ra0.1～Ra10；3)通过喷涂枪加速驱动气体和金属颗粒形成的气固双相流撞击所得的工件表面，得到致密度较低的涂层；4)通过轰击枪加速驱动气体和微锻颗粒形成的气固双相流轰击工件表面，得到高致密涂层。通过本发明使金属涂层更加致密，涂层致密度达到99％以上，涂层自身强度增加10％以上，涂层硬度增加15％以上。本发明工艺简单、实施容易、流程短、效率高、适用范围广，因而具备良好的推广及应用前景。

Description

一种高致密还原性金属涂层的制备方法

技术领域

本发明属于表面工程领域，涉及冷气动力喷涂技术和超音速颗粒轰击微锻技术，尤其涉及一种高致密还原性金属涂层的制备方法。

背景技术

冷气动力喷涂技术是一项全新的金属沉积技术，其原理是利用高压气体携带金属或合金微粒通过特殊喷嘴加至超音速以上，高速飞行的金属或合金微粒撞击在基板表面，通过微粒和基板的双重强烈塑性变形实现粘接，形成涂层。冷气动力喷涂的优势在于金属或合金微粒在温度低于喷涂材料熔点的固态下沉积形成涂层，对粉末颗粒热影响小，制备的涂层性质基本上与原料性质相同。目前的研究表明冷气动力喷涂技术可以实现包括金属Al、Cu、Ni、Zn、NiCr等金属或合金的沉积，其最大的特点是可以喷涂易于氧化的还原性金属，例如Cu及其合金，在冶金工具修复领域具有广阔的应用前景。

中国专利，专利公开号CN1781644，专利名称“薄带连铸结晶辊修复方法”，提供了一种结晶辊表面修复及表面再生技术。采用冷气动力喷涂的方法，利用压缩气体携带金属颗粒以足够高的速度撞击结晶辊的表面，金属颗粒产生足够的变形而发生粘结，再生形成结晶辊特定几何形状的外表面。

中国专利，专利公开号CN1782128，专利名称“利用冷喷涂得超合金修补”，提供了一种用于修补由超合金材料形成的部件的方法，采用冷气动力喷涂技术将超合金材料沉积到部件表面上，并由此覆盖缺陷。

中国专利，专利公开号CN1781623，专利名称“连铸结晶制造方法”提供了一种连铸结晶辊制造方法，首先在结晶辊的辊芯上沿辊芯轴向开进、出水孔，在辊芯壁上开有导水孔，分别连通进、出水孔及辊芯外表面；在结晶辊的辊芯外表面上安装金属管，分别通过辊芯壁上的导水孔与进、出水孔连通构成多个冷却回路，形成结晶辊冷却***；采用冷气动力喷涂，以大于1.0MPa压力气体驱动金属颗粒以高速撞击结晶辊辊芯外表面，金属颗粒发生足够的变形而粘结在结晶辊辊芯表面和冷却回路外表面上，填充孔隙，进而形成足够的涂层厚度将冷却回路完全掩埋，并形成足够厚度的结晶辊辊套，完成结晶辊的制造。

中国专利，专利公开号CN1781643，专利名称“结晶器铜板修复方法”，提供了一种结晶器铜板修复方法，采用气动力喷涂的方法，用高压压缩气体驱动微小金属颗粒以足够高的速度撞击结晶器需要修复的表面，微小颗粒发生足够的塑性变形而粘结在结晶器的表面上形成新的表面，填充裂缝或磨损凹槽等。

中国专利，专利公开号CN2754775，专利名称“薄带连铸结晶辊”，提供了一种薄带连铸结晶辊，结晶辊辊套采用冷气动力喷涂沉积金属形成。

然而，常规冷气动力喷涂涂层往往存在大量的气孔和因颗粒变形不充分形成的缺陷，涂层致密度低，只能达到85％-95％之间，并且金属涂层中的密闭气孔或缺陷内会储存一定量的高压气，在后续热处理过程中易膨胀长大，形成较大的缺陷，会大大降低涂层的导电、导热、耐蚀性能和强度、硬度及耐磨性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高致密度还原性金属涂层的制备方法，工艺简单，容易实施，流程短，效率高，适应范围广，且微锻颗粒轰击锻造与冷气动力喷涂涂层可同时在线进行，不需要额外特殊装备，制备过程中只需使用不同种类的喷涂颗粒，即能够在工件整个表面或局部表面获得高致密度金属涂层，涂层的致密度达到99％以上，远高于传统冷气动力喷涂法沉积的涂层。

本发明的目的是这样实现的：一种高致密还原性金属涂层的制备方法，包含以下步骤：

步骤1：清理基体表面，可以采用机械加工方法，如磨光、抛光，也可以采用化学方法，如酸洗，得到干燥光滑表面；

步骤2：对所得的干燥光滑表面进行毛化处理，得到有一定粗糙度的新鲜表面的工件，粗糙度范围为Ra0.1～Ra10；

步骤3：通过喷涂枪加速驱动气体和金属颗粒形成的气固双相流撞击所得的工件表面，得到低致密度涂层；

步骤4：通过轰击枪加速驱动气体和微锻颗粒形成的气固双相流轰击工件表面，得到高致密涂层。

优选地，所述步骤2的最佳粗糙度范围为Ra1.0～Ra5.0。

在上述步骤中，步骤3中的金属颗粒可以是铝及铝合金、锌及锌合金、锡及锡合金、铜及铜合金、镍及镍合金、铬及铬合金、钛及钛合金、铁及铁合金、钴及钴合金中的一种或两种以上合金的混合微粒。金属颗粒可以是球形，也可以是近似球形的其它形状。

微粒的粒径范围为1～100μm，最佳粒径范围为5～30μm，驱动气体温度范围为25～800℃，驱动气体压力范围为1～5MPa，单层沉积厚度范围为10～500μm，最佳单层沉积厚度范围为80～200μm。

采用冷气动力喷涂原理，利用喷涂枪加速高压气体与还原性金属或合金微粒组成的气固双相流，使其速度超过金属涂层沉积所需的临界速度，高速金属或合金微粒撞击工件表面，沉积形成涂层，此时涂层内部存在较多空隙，致密度较低。

在喷涂过程中，喷涂枪出口与工件间距范围为10～60mm，最佳间距范围为25～45mm。

步骤4中的微锻颗粒为金属颗粒硬度的1.5倍以上，这里的微锻颗粒可以是氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钇、二氧化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化钨、金刚石，也可以是硬铬、钨合金、高速钢、高温合金、钽合金、非晶态合金中的一种或两种以上混合微粒。微锻颗粒为球形，粒度偏差不超过10％。

微粒的粒径范围为10～2000μm，最佳粒径范围为50～500μm，驱动气体温度范围为25～800℃，驱动气体压力范围为0.5～3MPa，轰击密度50～50000个/mm²。最佳微锻温度范围为0.3-0.6T_m，T_m为所制备涂层金属的熔点；最佳微锻变形层范围为1-1.5H_C，H_C为单道次涂层制备厚度。

利用轰击枪加速高压气体和微锻颗粒组成的气固双相流，使微锻颗粒获得很高的动能，正面反复轰击已沉积涂层，微锻颗粒对涂层实现高频微区锻造，使涂层材料发生强烈塑性变形，变形过程中涂层内部孔洞、气包等缺陷受微锻颗粒冲击而融合、消失，从而得到高致密涂层；

在喷涂过程中，轰击枪出口与工件间距范围为10～150mm，最佳间距范围为40～60mm。

优选地，所述喷涂枪和轰击枪平行且位于同一水平线上，轰击枪位于喷涂枪之后，喷涂枪和轰击枪做线性运动，工件做旋转运动

优选地，喷涂枪和轰击枪同时进行或间断进行。

在高致密还原性金属涂层的制备过程的步骤4中：

高致密涂层可进行去应力退火处理，也可不进行退火处理；退火工艺可在单道次涂层制备过程中进行，也可以在涂层制备完成后进行。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

(1)所得的金属涂层更加致密，涂层致密度达到99％以上，远高于传统冷气动力喷涂法沉积的涂层；

(2)所得金属涂层材料晶粒更加细小，涂层自身强度增加10％以上，涂层硬度增加15％以上；

(3)所得金属涂层导热、导电性提高5％以上；

(4)涂层沉积和微锻可同时在线完成，不需要特殊设备，效率较高；

(5)金属涂层热处理条件大大降低，通过适当的热处理，消除涂层内部应力，调整涂层内部组织，可进一步提升涂层的致密度和使用性能。

附图说明

以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步说明。

图1为高速颗粒微锻辅助冷气动力喷涂原理。

图2常规冷气动力喷涂CrZrCu合金涂层金相图。

图3高致密冷气动力喷涂CrZrCu合金涂层金相图。

图4常规冷气动力喷涂Ni合金涂层金相图。

图5高致密冷气动力喷涂Ni合金涂层金相图。

图中：

1-工件      2-喷涂枪      3-金属颗粒

4-轰击枪    5-微锻颗粒    6-喷涂枪运动方向

具体实施方式

如图1所示，采用冷气动力喷涂原理，利用喷涂枪2加速高压气体与还原性金属颗粒3组成的气固双相流，使其速度超过金属涂层沉积所需的临界速度，高速金属颗粒3撞击工件1表面，沉积形成涂层，此时涂层内部存在较多缺陷，致密度低；

利用轰击枪4加速高压气体和微锻颗粒5组成的气固双相流，使微锻颗粒获得很高的动能，正面反复轰击已沉积涂层，微锻颗粒对涂层实现高频微区锻造，使涂层材料发生强烈塑性变形，变形过程中涂层内部孔洞、气包等缺陷受微锻颗粒冲击而融合、消失，从而得到高致密涂层.

上述高致密涂层制备过程中，基体与机械手携带的喷涂枪2和轰击枪4做线性运动，工件1做旋转运动，喷涂枪2和轰击枪4平行且位于同一水平线上，沿喷枪移动方向，轰击枪4位于喷涂枪2之后。

下面为本发明的实施例的具体实施数据：

实施例1

金属颗粒为CrZrCu合金，球形，平均粒径22μm；基体为CrZrCu合金，表面粗糙度Ra2.6μm，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氮气，驱动气体压力2.4MPa，驱动气体温度400℃，喷涂枪与工件表面距离为30mm，单层沉积厚度100μm；微锻颗粒为α-Al₂O₃，球形，平均粒径80μm，驱动气体为氮气，驱动气体压力1.6Mpa，驱动气体温度400℃，轰击枪与涂层表面距离为40mm，微锻涂层温度350℃，轰击密度平均600个/mm²。

如图2和图4所示，常规工艺制备冷气动力喷涂涂层，致密度为90％。

如图3和图5所示，使用本发明的高致密度还原性金属涂层的制备方法，致密度达到99.5％，致密度较常规冷气动力喷涂涂层大幅提高。

实施例2

金属颗粒为Ni合金，球形，平均粒径15μm；基体为CrZrCu合金，表面粗糙度Ra2.0μm，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氮气，驱动气体压力2.8MPa，驱动气体温度480℃，喷涂枪与工件表面距离为30mm，单层沉积厚度70μm；微锻颗粒为氧化钇陶瓷，球形，平均粒径100μm，驱动气体为氮气，驱动气体压力1.7Mpa，驱动气体温度500℃，轰击枪与涂层表面距离为33mm，微锻涂层温度420℃，轰击密度平均500个/mm²。

常规工艺制备冷气动力喷涂涂层，致密度为92％；使用本发明的高致密度还原性金属涂层的制备方法，致密度达到99.5％。

实施例3

金属颗粒为Ti合金，球形，平均粒径25μm；基体为304不锈钢，表面粗糙度Ra3.2μm，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氮气，驱动气体压力2.7MPa，驱动气体温度550℃，喷涂枪与工件表面距离为33mm，单层沉积厚度120μm；微锻颗粒为碳化钨颗粒，球形，平均粒径200μm，驱动气体为氮气，驱动气体压力2.0Mpa，驱动气体温度600℃，轰击枪与涂层表面距离为38mm，微锻涂层温度500℃，轰击密度平均400个/mm²。

使用本发明的高致密度还原性金属涂层的制备方法，较常规工艺制备冷气动力喷涂涂层致密度提高8％，致密度达到99.5％。

实施例4

金属颗粒为304不锈钢(属于铁合金的一种)，球形，平均粒径18μm；基体为普通碳钢，表面粗糙度Ra2.5μm，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氮气，驱动气体压力4.0MPa，驱动气体温度750℃，喷涂枪与工件表面距离为25mm，单层沉积厚度80μm；微锻颗粒为碳化钨与碳化硅的混合物，球形，平均粒径300μm，驱动气体为氦气，驱动气体压力2.4Mpa，驱动气体温度750℃，轰击枪与涂层表面距离为28mm，微锻涂层温度580℃，轰击密度平均360个/mm²。

使用本发明的制备方法制备的304不锈钢涂层致密度达到99％。

实施例5

金属颗粒为锌铝合金，球形，平均粒径35μm；基体为6061铝合金，表面粗糙度Ra4μm，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氮气，驱动气体压力2.0MPa，驱动气体温度350℃，喷涂枪与工件表面距离为40mm，单层沉积厚度80μm；微锻颗粒为高速钢，球形，平均粒径200μm，驱动气体为压缩空气，驱动气体压力1.0Mpa，驱动气体温度200℃，轰击枪与涂层表面距离为40mm，微锻涂层温度100℃，轰击密度平均420个/mm²。

使用本发明的高致密度还原性金属涂层的制备方法，制备的锌铝合金涂层致密度达到99.5％。

实施例6

金属颗粒为铜镍混合物，球形，平均粒径20μm；基体为CrZrCu合金，表面粗糙度Ra2.9μm，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氮气，驱动气体压力3.0MPa，驱动气体温度420℃，喷涂枪与工件表面距离为36mm，单层沉积厚度110μm；微锻颗粒为铁基非晶合金，球形，平均粒径400μm，驱动气体为氦气，驱动气体压力2.5Mpa，驱动气体温度500℃，轰击枪与涂层表面距离为40mm，微锻涂层温度450℃，轰击密度平均300个/mm²。

使用本发明的高致密度还原性金属涂层的制备方法，制备的铜镍混合涂层致密度达到99％。

实施例7

金属颗粒为镍铝混合物，球形，平均粒径30μm；基体为6061铝合金，表面粗糙度Ra5.4μm，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氮气，驱动气体压力2.7MPa，驱动气体温度400℃，喷涂枪与工件表面距离为40mm，单层沉积厚度160μm；微锻颗粒为氮化硼，球形，平均粒径800μm，驱动气体为高压压缩空气，驱动气体压力2.8Mpa，驱动气体温度480℃，轰击枪与涂层表面距离为50mm，微锻涂层温度350℃，轰击密度平均200个/mm²。

使用本发明的高致密度还原性金属涂层的制备方法，制备的镍铝涂层致密度达到99％。

实施例8

金属颗粒为镍铬合金，球形，平均粒径24μm；基体为普通碳钢，表面粗糙度Ra3.5μm，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氦气，驱动气体压力3.8.0MPa，驱动气体温度650℃，喷涂枪与工件表面距离为30mm，单层沉积厚度120μm；微锻颗粒为碳化钨与碳化硅的混合物，球形，平均粒径500μm，驱动气体为氮气，驱动气体压力2.4Mpa，驱动气体温度750℃，轰击枪与涂层表面距离为35mm，微锻涂层温度650℃，轰击密度平均180个/mm²。

实施例9

金属颗粒为锡合金，椭圆形，平均粒径95μm；基体为铝板，表面粗糙度Ra 9，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氦气，驱动气体压力2MPa，驱动气体温度50℃，喷涂枪与工件表面距离为55mm，单层沉积厚度300μm；微锻颗粒为碳化钨与碳化硅的混合物，球形，平均粒径1500μm，驱动气体为氮气，驱动气体压力1MPa，驱动气体温度为25℃，轰击枪与涂层表面距离为120mm，微锻涂层温度30℃，轰击密度平均80个/mm²。

实施例10

金属颗粒为镍合金与铬合金混合物，球形，平均粒径7μm；基体为纯铜，表面粗糙度Ra 1.0，表面为新鲜、未氧化表面；驱动气体为工业氦气，驱动气体压力3.5MPa，驱动气体温度650℃，喷涂枪与工件表面距离为15mm，单层沉积厚度15μm；微锻颗粒为碳化硅，球形，平均粒径20μm，驱动气体为氮气，驱动气体压力3.0MPa，驱动气体温度750℃，轰击枪与涂层表面距离为15mm，微锻涂层温度700℃，轰击密度平均45000个/mm²。

使用本发明的高致密度还原性金属涂层的制备方法，制备的镍铬合金涂层致密度达到99％。

综上所述，本发明工艺简单，容易实施，流程短，效率高，适应范围广，不需要额外特殊装备，制备过程中只需使用不同种类的喷漆颗粒，就能够在工件整个表面或局部表面获得高致密度金属涂层，因而具备良好的推广及应用前景。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的几个具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高致密还原性金属涂层的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：清理基体表面，得到干燥光滑表面；

步骤2：对所得的干燥光滑表面进行毛化处理，得到有一定粗糙度的新鲜表面的工件，粗糙度范围为Ra0.1～Ra10；

步骤3：通过喷涂枪加速驱动气体和金属颗粒形成的气固双相流撞击所得的工件表面，得到致密度较低的涂层；金属颗粒为球状或近似球状的其他形状，微粒的粒径范围为1～100μm，驱动气体温度范围为25～800℃，驱动气体压力范围为1～5MPa，单层沉积厚度范围为10～500μm，喷涂枪出口与工件间距范围为10～60mm；

步骤4：通过轰击枪加速驱动气体和微锻颗粒形成的气固双相流轰击工件表面，得到高致密涂层；微锻颗粒为球状，粒度偏差不超过10％，硬度为金属颗粒硬度的1.5倍以上；微锻颗粒的粒径范围为10～2000μm，驱动气体温度范围为25～800℃，驱动气体压力范围为0.5～3MPa，轰击密度50～50000个/mm²，轰击枪出口与工件间距范围为10～150mm；微锻温度范围为0.3-0.6T_m，T_m为所制备涂层金属的熔点；微锻变形层范围为1-1.5H_C，H_C为单道次涂层制备厚度。

2.如权利要求1所述的高致密还原性金属涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2的粗糙度范围为Ra1.0～Ra5.0。

3.如权利要求1所述的高致密还原性金属涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的金属颗粒为铝及铝合金、锌及锌合金、锡及锡合金、铜及铜合金、镍及镍合金、铬及铬合金、钛及钛合金、铁及铁合金、钴及钴合金中的一种或两种以上合金的混合微粒。

4.如权利要求1或3所述的高致密还原性金属涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3的粒径范围为5～30μm，单层沉积厚度范围为80～200μm，喷涂枪出口与工件的间距范围为25～45mm。

5.如权利要求1所述的高致密还原性金属涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4中的微锻颗粒为氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钇、二氧化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化钨、金刚石，也可以是硬铬、钨合金、高速钢、高温合金、钽合金、非晶态合金中的一种或两种以上混合微粒。

6.如权利要求1或5所述的高致密还原性金属涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4的粒径范围为50～500μm，轰击枪出口和工件的间距范围为40～60mm

7.如权利要求1所述的高致密还原性金属涂层的制备方法，其特征在于：所述喷涂枪和轰击枪平行且位于同一水平线上，轰击枪位于喷涂枪之后，喷涂枪和轰击枪做线性运动，工件做旋转运动。

8.如权利要求1或7所述的高致密还原性金属涂层的制备方法，其特征在于：喷涂枪和轰击枪同时进行或间断进行。

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