CN102154640B - 铝涂层结合强度的提高方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属表面处理技术领域的铝涂层结合强度的提高方法，通过将铝粉和Mg17Al12球形粉末机械混合，并将混合后的粉体冷喷涂于基体表面。本发明使用冷喷涂方法沉积金属间化合物粉末和铝粉末的混合粉末，提高铝涂层结合强度的同时，不会恶化铝涂层的其它机械性能和化学性能。

Description

铝涂层结合强度的提高方法
技术领域
本发明涉及的是一种金属表面处理技术领域的方法，具体是一种铝涂层结合强度的提高方法。
背景技术
铝及铝合金材料具有优异的机械性能和耐腐蚀性能，因此广泛地用于交通运输、航空航天、3℃和军事领域等。除了作为结构材料外，铝及铝合金材料的一个重要应用是作为涂层以保护基体材料，拓展基体材料的应用领域和提高基体材料的服役寿命。目前，铝涂层的主要制备方法有热喷涂(等离子喷涂和火焰喷涂等)、激光熔覆、气相沉积和电镀等。然而，铝是化学性质比较活泼的金属之一，传统的沉积方法不可避免地使铝涂层在制备过程中发生晶粒长大，相变等缺陷；或者沉积速度太慢，沉积过程耗能过高和污染环境等。
冷喷涂是建立在合理利用空气动力学原理基础上的一种新型涂层制备技术，它主要通过高压气体加速粉末粒子，粒子高速撞击基体并通过产生剧烈的塑性变形而在基体表面沉积为涂层，其中工作气体的预热温度一般小于600℃，压力为1-3.5MPa，喷涂粒子的典型尺寸为5-50μm，粒子速度为300-1200m/s。采用冷喷涂方法可以制备纯铝、铝合金、铝复合材料和铝纳米材料涂层。然而，纯铝涂层虽然具有较好的耐腐蚀性能，但其粘接强度，表面硬度都较低，限制了它的进一步应用；而在原材料铝粉中添加硬质相粒子，如氧化铝，碳化硅等陶瓷粒子虽然能够改善涂层硬度和粘接强度，但是其耐腐蚀性能随着涂层中陶瓷粒子含量的增加逐渐降低。同时，涂层中含量过高的陶瓷相粒子也会破坏涂层和基体界面，降低涂层和基体在界面处的结合强度。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101058881A记载了一种“金属间化合物涂层的制备方法”，该发明采用机械合金化方法制备原材料粉末，随后用冷喷涂的方法在基体上沉积Al/Ni和Al/Ti等涂层并在300-1200℃下热处理，涂层中的合金元素在高温下扩散，形成金属间化合物涂层。值得注意的是该现有技术中需要使用高温热处理，虽然可以在一定程度上提高涂层的结合强度，但是高温扩散处理不可避免地会对基体金属产生热影响。另外，铝镁中间化合物涂层也不能采用该技术制备，因为镁粉的性质极为活泼，不适合作为冷喷涂原材料。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种铝涂层结合强度的提高方法，使用冷喷涂方法沉积金属间化合物粉末和铝粉末的混合粉末，提高铝涂层结合强度的同时，不会恶化铝涂层的其它机械性能和化学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将铝粉和Mg17Al12球形粉末机械混合，并将混合后的粉体冷喷涂于基体表面。
所述的铝粉为质量分数大于99％且经过筛分取粒子直径小于45μm的铝粉粒子；
所述的Mg17Al12球形粉末的平均粒子直径为58μm。
所述的机械混合的比例为原子比为25∶75～75∶25。
所述的基体表面经丙酮清洗并干燥。
所述的基体为T6态的Al6061铝合金或铸态的AZ91D镁合金。
所述的冷喷涂是指：采用氦气作为工作气体和粒子载气，工作气体在喷枪入口处的压力和温度分别为0.98MPa和300℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温；送粉速率控制在15g/min左右，喷枪的出口到基体表面的距离为10-15mm且基体相对于喷枪的移动速度为1-3mm/s。
本发明涉及上述方法得到的涂层，单道次沉积其厚度可达2369±46μm，孔隙率低于0.2％，Mg17Al12在涂层中的含量为4.6±2.8％，涂层硬度为56.8±4.2(Hv100g)，涂层的粘接强度为27.9±3.6MPa(根据EN15340标准)。
同现有工艺相比较，本发明的优点为：
(1)金属间化合物的主要成分为铝和镁，镁是铝合金中的一种重要的合金元素；同时该化合物的熔点低于660℃，因此该金属间化合物作为一种硬质相粒子加入到原材料铝粉末中，不会影响铝的易回收性能。
(2)该金属间化合物为球形，硬度较高，不易变形，在沉积过程中大部分球形粒子从涂层表面反弹，因此它在铝涂层中的含量很低，不会影响涂层与基体在界面处的结合。该方法提高铝涂层结合强度的同时，对铝涂层的化学性能，尤其是耐腐蚀性能几乎没有影响。
(3)得到的铝涂层更加致密，由于硬质相粒子的夯实作用，铝粒子之间几乎没有孔隙，得到的涂层不仅致密度高，而且铝粒子的沉积效率也有所改善，单道次得到的涂层厚度也有所提高。
(4)若金属间化合物粉末在原料粉末中的含量高于一特定值，基体表面在喷涂前便不需要经过喷砂处理。
(5)喷涂前金属间化合物粉末和铝粉末只需简单机械混合，不需要在保护气体下进行球磨等特殊处理，简化了操作工序，节约了制备涂层的成本。
附图说明
图1原材料粉末粒子形貌；
其中：(a)为铝粒子粉末形貌图，(b)Mg17Al12粒子粉末形貌图。
图2冷喷涂50％Al+50％Mg17Al12混合粉末涂层截面形貌图。
图3冷喷涂25％Al+75％Mg17Al12混合粉末涂层截面形貌图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
选择的铝粉末为高纯铝粉末，纯度(质量分数)大于99％，不规则外形，经过筛分取粒子直径小于45μm的粒子；选择的铝镁金属间化合物粉末为Mg17Al12球形粉末，平均粒子直径为58μm。两种粉末的原始形貌如图1所示。采用的基体为T6态Al6061铝合金。将高纯铝粉末和Mg17Al12球形粉末按照原子比为75∶25混合后，然后机械混合10-30分钟，得到混合粉末。将铝基体表面用丙酮清洗，并干燥，之后采用上述混合粉末进行冷喷涂。冷喷涂中工作气体和粒子载气均为氦气，工作气体在喷枪入口处的压力和温度分别为0.98MPa和300℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温。送粉速率控制在15g/min左右，喷枪出口到基体表面的距离为15mm，基体相对于喷枪的移动速度为3mm/s，单道次沉积。得到的涂层厚度为612±37μm，孔隙率低于0.3％，Mg17Al12在涂层中的含量为3.2±1.1％，涂层硬度为53.4±3.6(Hv100g)，涂层的粘接强度为18.1±2.7MPa(根据EN15340标准)。
实施例2
选择和实施例1相同的铝粉末，铝镁金属间化合物粉末和基体。将高纯铝粉末和Mg17Al12球形粉末按照原子比为50∶50混合后，然后机械混合10-30分钟，得到混合粉末。将铝基体表面用丙酮清洗并干燥。之后采用上述混合粉末进行冷喷涂。冷喷涂中工作气体和粒子载气均为氦气，工作气体在喷枪入口处的压力和温度分别为0.98MPa和300℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温。送粉速率控制在15g/min左右，喷枪出口到基体表面的距离为10mm，基体相对于喷枪的移动速度为1mm/s，单道次沉积。得到的涂层如图2所示，其厚度为2369±46μm，孔隙率低于0.2％，Mg17Al12在涂层中的含量为4.6±2.8％，涂层硬度为56.8±4.2(Hv100g)，涂层的粘接强度为27.9±3.6MPa。
实施例3
选择和实施例1相同的铝粉末和铝镁金属间化合物粉末。采用的基体为铸态的AZ91D镁合金。将高纯铝粉末和Mg17Al12球形粉末按照原子比为25∶75混合后，然后机械混合10-30分钟，得到混合粉末。将镁基体表面用丙酮清洗并干燥。之后采用上述混合粉末进行冷喷涂。冷喷涂中工作气体和粒子载气均为氦气，工作气体的压力和温度为0.98MPa和300℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温。送粉速率为15g/min左右，喷枪出口到基体表面的距离为10mm，基体相对于喷枪的移动速度为2mm/s，双道次沉积。得到的涂层如图3所示。其厚度为1873±42μm，孔隙率低于0.35％，Mg17Al12在涂层中的含量为7.8±2.3％，涂层硬度为58.8±2.9，涂层的粘接强度为19.7±1.6MPa。
冷喷涂纯铝涂层的硬度为46.2±1.9，粘接强度为8.7±0.5MPa。可以发现Mg17Al12粒子在涂层中的含量虽然很低，但是仍然改善了涂层的硬度，同时大幅提高了涂层的粘接强度。应当指出，如果要进一步提高涂层的硬度，可以在冷喷涂过程中，采用更高的工作气体压力和温度，或者使用不规则形貌的Mg17Al12粒子代替球形形貌的Mg17Al12粒子，用来提高硬质相粒子在涂层中的含量。然而当硬质相粒子的含量超过一特定的临界值后，涂层和基体在界面处的结合强度可能会下降。

Claims (5)

1.一种铝涂层结合强度的提高方法，其特征在于，通过将铝粉和球形金属间化合物Mg17Al12粉末机械混合，并将混合后的粉末在特定的工艺条件下，冷喷涂于基体表面，所述的特定的工艺条件为：采用氦气作为工作气体和粒子载气，工作气体在喷枪入口处的压力和温度分别为0.98MPa和300℃，载气的压力为1.04MPa，温度为室温，送粉速率为15g/min，喷枪的出口到基体表面的距离为10-15mm且基体相对于喷枪的移动速度为1-3mm/s。
2.根据权利要求1所述的铝涂层结合强度的提高方法，其特征是，所述的铝粉为高纯铝，质量分数大于99%且经过筛分取粒子直径小于45μm的铝粒子。
3.根据权利要求1所述的铝涂层结合强度的提高方法，其特征是，所述的Mg17Al12球形粉末的平均粒子直径为58μm。
4.根据权利要求1所述的铝涂层结合强度的提高方法，其特征是，所述的基体表面经丙酮清洗并干燥。
5.根据权利要求1或4所述的铝涂层结合强度的提高方法，其特征是，所述的基体为T6态的Al6061铝合金或铸态的AZ91D镁合金。
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