CN105256307A - 镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法 - Google Patents
镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，属于材料表面工程技术与机械制造领域，包括以下步骤：1)将铝基或锌铝基金属粉末与硬质金属粉末混合，制得用于冷喷涂的混合粉末；2)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的镁合金基体上喷涂混合粉末，在镁合金基体表面制得耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层。该方法无需显著提高粒子速度和沉积温度，操作简单，经本发明方法制得的沉积体具有更加优越的导电性、导热性，更高的耐腐蚀、耐磨损和更高的力学性能，因而可以广泛应用于制备高导电、高导热、高耐腐蚀、高耐磨损涂层或高力学性能工件。
Description
技术领域
本发明属于材料表面工程技术与机械制造领域，具体涉及一种镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法。
背景技术
镁合金作为金属结构材料，具有很多优异的性能：密度低(1.8g/cm3)，仅为铝的2/3，铁的1/4；比强度和比刚度大；减震性能好，能承受比铝合金大的冲击载荷，适合于做承受剧烈振动的零件；质软，易切削加工等。镁合金的这些优点使其在航空航天、汽车工业、电子通讯等领域得到了较多应用，拥有非常好的前景。但是作为结构材料，镁合金较差的抗蚀性能限制了其在多种环境下的使用。
目前，多采用表面改性层来改善镁合金的耐蚀性，如化学转化膜、阳极氧化处理、各种涂层和镀层、激光改性技术等。化学转化膜被广泛用做涂漆底层，但研究表明，化学转化膜只能减缓腐蚀速度，并不能有效防止腐蚀，且镀液中常含有重金属离子，制备过程对环境造成一定污染；阳极氧化法是近年来兴起的一种表面处理新技术，可得到耐磨损、具有一定耐腐蚀性能的涂层，但阳极氧化膜的脆性较大、多孔，难以得到均匀的氧化膜；镁合金的金属镀层一般采用电镀方法，但由于镁的电位极低，不容易直接沉积耐蚀金属，且镀液中通常含有氰化物，对环境存在较大的污染；利用热喷涂在镁合金表面沉积金属涂层，如热喷涂制备铝涂层，但在热喷涂过程中，镁合金表面会发生强烈的反应，使镁合金表面被氧化，生成了耐蚀性很差的氧化膜。近年来，激光改性技术得到了广泛的应用，但镁合金在激光处理时易发生氧化、蒸发和产生汽化、气孔以及热应力等问题。综上，现有改善镁合金耐蚀性的方法仍然存在较多的问题。
冷喷涂是一种通过固态条件下微米尺度粒子的高速撞击，通过粒子与基体界面或粒子与已沉积颗粒子界面处剧烈的塑性变形而沉积形成涂层的技术。较低的工艺温度(低于喷涂材料的熔点)可以避免喷涂过程中金属粒子的氧化及晶粒长大，同时也避免了对镁合金基体造成热影响，因此冷喷涂是在镁合金表面制备高性能耐腐蚀金属涂层的潜在有效方法。由于生产中不产生富含重金属离子的废液，因此相对于电化学方法，冷喷涂是一种相对环保的绿色涂层制备工艺。
涂层的致密性是除材料本身属性外影响整体构件耐腐蚀性能的最重要因素。冷喷涂涂层的致密性取决于冷喷涂粒子在碰撞沉积过程中塑性变形量的大小：塑性变形量越大，涂层的致密度越高，耐腐蚀性越好。目前阶段，提高冷喷涂粒子变形量的方法主要有两种：
1)提高粒子速度进而增加粒子碰撞时的动能；
2)提高粒子的温度使粒子发生显著的软化。
冷喷涂Al合金粒子因其密度低，动量与能量低，高速碰撞沉积时相互的致密化作用弱，涂层的致密性较低。通常，通过进一步大幅度提高粒子速度以提高涂层致密性。但显著提高粒子的速度通常需要以昂贵的氦气作为加速气体(约为氮气的50倍)，成本极高，限制了工业化量产。显著提高粒子的温度将会是这些低熔点的金属过渡软化，进而沉积在喷枪内壁，造成喷枪堵塞，喷涂过程可控性差，难以连续喷涂生产。
因此，如何低成本的实现镁合金表面铝基及锌铝基耐腐蚀涂层的显著提高是目前尚待解决重要技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，该方法操作简单，对设备要求低，经该方法制得的涂层具有优异的耐腐蚀性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，包括以下步骤：
1)将铝基或锌铝基金属粉末与硬质颗粒粉末混合，制得用于冷喷涂的混合粉末；
2)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的镁合金基体上喷涂混合粉末，在镁合金基体表面制得耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层。
所述铝基或锌铝基金属粉末的粒径为20～50μm。
所述硬质颗粒粉末的粒径为150～500μm。
所述硬质颗粒粉末占混合粉末总体积的20％～80％。
经过预处理的镁合金基是将镁合金基体进行丙酮超声清洗及喷砂表面粗化处理后制得。
喷涂时所采用的工作气体为氮气。
喷涂时，气体压力设定为0.8～4.0MPa；气体温度为150～500℃。
所述硬质颗粒粉末为金属、合金或陶瓷颗粒。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，以铝基或锌铝基金属粉末与硬质颗粒粉末的混合粉末作为喷涂用粉末，采用冷喷涂法在经过预处理的镁合金基体上制备涂层，喷涂的混合粉末中硬质大颗粒对已沉积铝基或锌铝基涂层(混合粉末中硬质颗粒由于粒径较大所以速度比较慢，不会沉积，所以沉积的只有所要喷涂的铝基及锌铝基颗粒。喷涂过程中同时发生着铝基及锌铝基颗粒的沉积和硬质颗粒的撞击和反弹，硬质颗粒只能撞击前面沉积的铝基及锌铝基涂层而不会对还在飞行的颗粒产生影响。)的撞击作用，使得涂层中已沉积的粒子牢固的冷焊在一起而封闭涂层中可能的孔隙，从而得到液态或气态的腐蚀介质不能从涂层表面穿透涂层达到涂层与基体界面处腐蚀基体镁合金。与常规冷喷涂方法制备的同种涂层相比，本发明方法的优势十分明显：
第一，采用此种方法制备铝基及锌铝基金属的涂层无贯通孔隙，可完全隔离腐蚀介质，因此表现出优异的耐腐蚀性能。
第二，硬质颗粒粉末对镁合金基体的撞击变形使涂层/基体界面处形成两种材料相互锁合的界面结构，大幅度提高了涂层与基体的结合强度，保证了使用过程中涂层的长期稳定性。
第三，镁合金表面的冷喷涂铝基、锌铝基涂层不仅不会降低基体的疲劳寿命，反而由于粒子撞击镁合金表面基体时所产生的残余压应力，能够有效提高基体的裂纹扩张阻力，显著提高基体的疲劳寿命。
第四，本发明无需采用昂贵的氦气作为加速气体。同时，加速气体的温度和压力均相对较低，因此，通过便携式冷喷涂设备即可实现，大幅度增加了施工的灵活性，同时涂层制造成本也相对较低。
本发明方法实现了镁合金表面致密铝基或锌铝基金属涂层的低成本制备。因此，在镁合金腐蚀防护领域具有广阔的应用前景。
进一步地，喷涂粉末中硬质颗粒粉末可以是金属、合金及陶瓷颗粒，只需硬度显著大于所喷涂的材料，因此撞击过程中发生的塑性变形主要集中于喷涂材料，进而使孔隙消失。硬质颗粒粉末具有较大的粒径(>150μm)，使其碰撞速度较低，在喷涂条件下低于冷喷涂沉积的临界速度而在碰撞时几乎不沉积，可以避免由于硬质颗粒沉积造成的涂层材料的成分改变。
附图说明
图1为铝粉及硬质颗粒(316不锈钢颗粒)的形貌；(a)为铝粉；(b)为316不锈钢硬质颗粒；
图2为相同参数条件下，常规冷喷涂及本发明方法制备的1100Al涂层的断面结构；(a)为常规方法；(b)为本发明方法；
图3为3.5％NaCl溶液中不同样品自腐蚀电位随时间的变化曲线
图4为3.5％NaCl溶液中不同样品的极化曲线；
图5为常规冷喷涂及本发明方法制备的1100Al涂层/镁合金基体界面结构；(a)为常规方法；(b)为本发明方法。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的粒子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明公开的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，通过以下步骤实施：
首先，将5-70μm的铝基或锌铝基金属粉末与一定比例(10％-50％)的大粒径(>150μm)硬质金属粉末混合，以该种混合粉末作为冷喷涂喷涂粉末。
其次，采用冷喷涂在经预处理后的镁合金基体上制备涂层。通过喷涂粉末中硬质大颗粒对已沉积铝基或锌铝基涂层的撞击作用，使涂层中已沉积的粒子通过冷焊封闭粒子间的孔隙而形成无贯通孔隙的致密涂层，与常规冷喷涂方法制备的同种涂层相比，采用此种方法制备的涂层因无贯通孔隙而具有优异的耐腐蚀性能。
实施例1
以粒度介于10-50μm的1100Al粉末作为喷涂材料，以粒度介于200-300微米的316不锈钢颗粒作为硬质颗粒。1100Al及316不锈钢硬质的硬度分别为约25HV及274HV。如图1所示，(a)为铝粉；(b)为316不锈钢硬质颗粒；1100Al粉为球状及椭球状外形，316不锈钢硬质颗粒为球状外形。将40vol.％的硬质颗粒与1100Al粉末机械混合作为喷涂粉末。以AZ31镁合金作为基体材料，喷涂前对基体进行丙酮超声清洗及喷砂表面粗化处理。以氮气作为工作气体，气体压力及气体温度分别设定为2.0MPa及200℃。对照组样品为相同喷涂参数下采用纯1100Al粉末制备的涂层。
涂层的断面结构如图2所示。由图2中的(a)可以发现，采用单一1100Al粉末制备的涂层中存在大量孔隙，图像分析结果显示，涂层孔隙率高达13.3％。与此不同的是，参见图2中(b)，采用混合粉末沉积的Al涂层内部未发现明显孔隙，图像分析结果显示涂层的孔隙率仅为0.3％。由此可见，与常规冷喷涂工艺相比，采用本发明的冷喷涂方法可以显著降低铝基合金涂层的孔隙率。1100Al块材、常规方法制备的1100Al涂层、本发明方法制备的1100Al涂层及镁合金基体的四种样品在3.5％NaCl溶液中的自腐蚀电位随时间变化曲线及极化曲线分别如图3及图4所示。可以看出，常规方法制备的1100Al涂层由于存在大量的孔隙，腐蚀介质可以通过这些孔隙到达镁合金基体表面，因此，常规方法制备的1100Al涂层的自腐蚀电位与镁合金基体逐渐接近，起不到保护作用。而改进冷喷涂方法制备的Al涂层结构致密，能够有效隔离腐蚀介质与镁合金基体的接触，其自腐蚀电位与工业纯Al块材基本一致，耐腐蚀性能极为优异。
粉末中加入硬质颗粒后，纯Al涂层的结合强度由24MPa大幅度提高到51MPa。如图5中(a)、(b)所示，这主要是由于硬质颗粒对基体的撞击变形作用使涂层与基体形成了两种金属相互交错、锁合的界面结构，因而大幅度增强了基体与涂层的结合强度。
实施例2
以粒度介于15-50μm的Zn5％Al粉末作为喷涂材料，以粒度介于150-300微米的430不锈钢颗粒作为硬质颗粒。将50vol.％的硬质颗粒与纯Al粉末机械混合作为喷涂粉末。以AZ31镁合金作为基体材料，喷涂前对基体进行丙酮超声清洗及喷砂表面粗化处理。以氮气作为工作气体，气体压力及气体温度分别设定为1.8MPa及250℃。测试结果表明，采用单一Zn5％Al粉末制备的涂层中存在大量孔隙，图像分析结果显示，涂层孔隙率高达10.7％。采用混合粉末沉积的Zn5％Al涂层内部未发现明显孔隙，图像分析结果显示涂层的孔隙率仅为0.4％。电化学测试结果表明，常规方法制备的Zn5％Al涂层的自腐蚀电位与AZ31镁合金基体逐渐接近，起不到保护作用。而改进冷喷涂方法制备的Al涂层结构致密，能够有效隔离腐蚀介质与镁合金基体的接触，其自腐蚀电位与ZnAl块材基本一致，耐腐蚀性能极为优异。
综上所述，本发明在低成本的前提下，实现镁合金表面冷喷涂沉积制备高结合强度的无从涂层表面贯通至涂层/基体界面的贯通孔隙的致密铝基、锌铝基涂层。该发明为镁合金腐蚀防护提供了一种新的耐腐蚀涂层制备方法。
Claims (8)
1.一种镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将铝基或锌铝基金属粉末与硬质颗粒粉末混合，制得用于冷喷涂的混合粉末；
2)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的镁合金基体上喷涂混合粉末，在镁合金基体表面制得耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层。
2.根据权利要求1所述的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，其特征在于，所述铝基或锌铝基金属粉末的粒径为20～50μm。
3.根据权利要求1所述的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，其特征在于，所述硬质颗粒粉末的粒径为150～500μm。
4.根据权利要求1所述的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，其特征在于，所述硬质颗粒粉末占混合粉末总体积的20％～80％。
5.根据权利要求1所述的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，其特征在于，经过预处理的镁合金基是将镁合金基体进行丙酮超声清洗及喷砂表面粗化处理后制得。
6.根据权利要求1所述的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，其特征在于，喷涂时所采用的工作气体为氮气。
7.根据权利要求1或6所述的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，其特征在于，喷涂时，气体压力设定为0.8～4.0MPa；气体温度为150～500℃。
8.根据权利要求1所述的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，其特征在于，所述硬质颗粒粉末为金属、合金或陶瓷颗粒。
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