CN115418598A - 一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法 - Google Patents

一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其是将基材表面进行预处理后，在其表面电弧喷涂NiAl打底层，再将以Ni‑Cu合金、Mn‑Si合金等为原料合成的镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材电弧喷涂在其表面上作为面层，以制得所述涂层。本发明采用高温熔炼的方式在镍铜合金中引入较高含量的锰硅元素，并掺杂少量镧元素，再经热轧和热拉拔变形获得直径为2mm的丝材，通过电弧喷涂工艺将其喷涂到基材表面，有助于涂层氧含量的降低，改善涂层的致密度，从而使得所得涂层的耐磨和耐腐蚀性能明显提升，为其在工程结构中的应用提供技术支持。

Description

一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法
技术领域
本发明属于合金和热喷涂材料技术领域，具体涉及一种镧掺杂高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法。
背景技术
工业领域各种设备和管道的金属表面经常承受高温，或与酸、碱等刺激性液体接触受到强烈的腐蚀作用。根据国内外相关的研究数据显示，每年由于环境侵蚀而导致的金属制品和材料的报废量占到了全球年产量的20%~40%，发达国家每年的金属腐蚀事故所造成的经济损失约为GDP的1%~4%，而在我国，这一数字近4%左右。研究人员发现，镍铜合金在海水、化学溶剂、氯化氢、各种酸性介质中具有明显的防腐效果。在钢结构的表面形成一种具有一定粘附力的镍铜合金防护层，能够将其与强腐蚀介质隔离开来，从而使其具备优异可靠的耐腐蚀性能，以及较好的耐摩擦及磨损冲击性能。然而，在电弧喷涂镍铜涂层过程中，因内部易溶入氧元素，会造成气孔的存在，从而引起致密度下降的问题，不利于涂层耐磨与耐腐蚀性能的提升。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其通过提高喷涂丝材中锰硅含量，明显改善涂层的致密度与耐磨耐蚀性能，以解决电弧喷涂所得镍铜基涂层氧含量过高、性能下降的问题；并通过镧元素的添加，以进一步提高镍铜基合金的耐腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）镧掺杂高锰硅含量镍铜基合金丝材的制备：将Ni-Cu合金、Mn-Si合金放入电阻熔炼炉内，待其熔化后，将合金熔体的温度控制在1750℃，随后将纯La压入到合金熔体的底部待La完全溶解后，保温1h，并不断搅拌，随后将所得混合熔体浇注到石墨模具中，得到直径为22mm的棒材，将所得棒材加热到750℃后，对其进行7道次热轧变形，使棒材的直径从22mm轧制成6 mm，再将所得棒材加热到200℃后，对其进行10道次热拉拔变形，使其直径从6mm拉拔成2mm，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材；
（2）基材的表面预处理：将基材用丙酮清洗后，采用手持电动除锈机去除基材表面氧化层，再采用空气压缩机连接喷砂机，在压缩空气压力为0.6 MPa的条件下对基材进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Sa 2.5级以上，以增强涂层与基材的结合强度；
（3）电弧喷涂NiAl打底层：将电弧喷涂打底专用Ni-5 wt.%Al丝材装入电弧喷涂喷枪，在0.8 MPa的压缩空气压力下，将其喷涂至预处理好的基材表面上，获得Ni-Al打底层；
（4）电弧喷涂镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金涂层：将步骤（1）加工好的镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材装入电弧喷涂喷枪，在0.8 MPa的压缩空气压力下，将其喷涂在步骤（3）所得具有Ni-Al打底层的基材表面作为面层，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基涂层。
进一步地，步骤（1）所得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材中各成分所占百分含量为Ni 60~65 at.%、Cu 24~32 at.%、Mn 4~7 at.%、Si 2~5 at.%、La 0.5~1 at.%，其百分含量之和为100%；杂质总含量≤0.03 wt.%。
进一步地，步骤（2）所述基材为Q235钢、Q345钢、45#钢中的任意一种。
进一步地，步骤（3）喷涂时，喷枪喷头与基材表面的距离为130 mm~200 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为80~90°，喷涂电弧电压为35V~40 V，喷涂电弧电流为100 A~150A。
进一步地，步骤（4）喷涂时，喷枪喷头与基材表面的距离为130 mm~200 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为80~90°，喷涂电弧电压为35V~40 V，喷涂电弧电流为150 A~200 A。
进一步地，所得涂层总厚度为100~300 μm，其中，Ni-Al打底层的厚度为30~100 μm，面层厚度为70~200 μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用高温熔炼的方式在镍铜合金中引入较高含量的锰硅元素，并掺杂少量镧元素，再经热轧和热拉拔变形获得直径为2mm的丝材，通过采用电弧喷涂工艺将所得丝材喷涂到基材表面，有助于涂层氧含量的降低，改善涂层的致密度，从而使所得涂层的耐磨和耐腐蚀性能明显提升，为其在工程结构中的应用提供技术支持。
附图说明
图1为实施例2所得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的EDS能谱图。
图2为实施例2所得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的显微组织图。
图3为实施例2所得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的XRD图谱。
图4为实施例2所得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层与Q235钢基材在3.5%NaCl溶液中耐腐蚀性能的极化曲线。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备步骤如下：
（1）采用熔炼路线制备镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材，其具体是将采购的Ni-Cu合金、Mn-Si合金放入电阻熔炼炉内，待金属熔化后，将合金熔体的温度控制在1750℃，随后将纯La压入到合金熔体的底部，待La完全溶解后，保温1 h，并不断搅拌，随后将所得混合熔体浇注到石墨模具中，得到直径为22 mm的棒材；将所得棒材加热到750 ℃，对其进行7道次热轧变形，将棒料的直径从22 mm轧制成6 mm；再将轧制加工好的棒料加热到200℃，对其进行10道次热拉拔变形，将其直径从6 mm拉拔成2 mm，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂丝材；所得丝材中含Ni 60.7 at.%、Cu 32.0 at.%、Mn 4.5 at.%、Si 2.3at.%、La 0.5 at.%，杂质总含量不超过0.03 %；
（2）以Q235钢为基材，将其用丙酮清洗后，采用手持电动除锈机打磨去除其表面氧化层，再采用空气压缩机连接喷砂机，在压缩空气压力为0.6 MPa的条件下对其进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Sa 2.5级以上，以增强涂层与基材的结合强度；
（3）将电弧喷涂打底专用Ni-5 wt.%Al丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪喷头与基材表面的距离为130 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为35V，喷涂电弧电流为100 A，在0.8 MPa的压缩空气下将其喷涂至表面预处理好的基材表面上，获得厚度为50 μm的Ni-Al打底层；
（4）将步骤（1）中加工好的镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪与基材表面的距离为140 mm，喷枪与基材平面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为35 V，喷涂电弧电流为160 A，在0.8 MPa的压缩空气下喷涂至步骤（3）所得具有Ni-Al打底层的基材表面，形成一层厚度为100 μm的面层，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基涂层。
实施例2
一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备步骤如下：
（1）采用熔炼路线制备镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材，其具体是将采购的Ni-Cu合金、Mn-Si合金放入电阻熔炼炉内，待金属熔化后，将合金熔体的温度控制在1750℃，随后将纯La压入到合金熔体的底部，待La完全溶解后，保温1 h，并不断搅拌，随后将所得混合熔体浇注到石墨模具中，得到直径为22 mm的棒材；将所得棒材加热到750 ℃，对其进行7道次热轧变形，将棒料的直径从22 mm轧制成6 mm；再将轧制加工好的棒料加热到200℃，对其进行10道次热拉拔变形，将其直径从6 mm拉拔成2 mm，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂丝材；所得丝材中含Ni 62.1 at.%、Cu 27.1 at.%、Mn 5.8 at.%、Si 4.2at.%、La 0.8 at.%，杂质总含量不超过0.03 %；
（2）以Q235钢为基材，将其用丙酮清洗后，采用手持电动除锈机打磨去除其表面氧化层，再采用空气压缩机连接喷砂机，在压缩空气压力为0.6 MPa的条件下对其进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Sa 2.5级以上，以增强涂层与基材的结合强度；
（3）将电弧喷涂打底专用Ni-5 wt.%Al丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪喷头与基材表面的距离为150 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为38V，喷涂电弧电流为130 A，在0.8 MPa的压缩空气下将其喷涂至表面预处理好的基材表面上，获得厚度为70 μm的Ni-Al打底层；
（4）将步骤（1）中加工好的镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪与基材表面的距离为160 mm，喷枪与基材平面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为38 V，喷涂电弧电流为180 A，在0.8 MPa的压缩空气下喷涂至步骤（3）所得具有Ni-Al打底层的基材表面，形成一层厚度为130 μm的面层，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基涂层。
实施例3
一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备步骤如下：
（1）采用熔炼路线制备镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材，其具体是将采购的Ni-Cu合金、Mn-Si合金放入电阻熔炼炉内，待金属熔化后，将合金熔体的温度控制在1750℃，随后将纯La压入到合金熔体的底部，待La完全溶解后，保温1 h，并不断搅拌，随后将所得混合熔体浇注到石墨模具中，得到直径为22 mm的棒材；将所得棒材加热到750 ℃，对其进行7道次热轧变形，将棒料的直径从22 mm轧制成6 mm；再将轧制加工好的棒料加热到200℃，对其进行10道次热拉拔变形，将其直径从6 mm拉拔成2 mm，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂丝材；所得丝材中含Ni 63.2 at.%、Cu 24.1 at.%、Mn 6.8 at.%、Si 4.9at.%、La 1.0 at.%，杂质总含量不超过0.03 %；
（2）以Q235钢为基材，将其用丙酮清洗后，采用手持电动除锈机打磨去除其表面氧化层，再采用空气压缩机连接喷砂机，在压缩空气压力为0.6 MPa的条件下对其进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Sa 2.5级以上，以增强涂层与基材的结合强度；
（3）将电弧喷涂打底专用Ni-5 wt.%Al丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪喷头与基材表面的距离为150 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为40V，喷涂电弧电流为150 A，在0.8 MPa的压缩空气下将其喷涂至表面预处理好的基材表面上，获得厚度为95 μm的Ni-Al打底层；
（4）将步骤（1）中加工好的镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪与基材表面的距离为160 mm，喷枪与基材平面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为40 V，喷涂电弧电流为200 A，在0.8 MPa的压缩空气下喷涂至步骤（3）所得具有Ni-Al打底层的基材表面，形成一层厚度为195 μm的面层，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基涂层。
对比例1
低锰硅含量的镧掺杂镍铜基电弧喷涂涂层的制备步骤如下：
（1）采用熔炼路线制备镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材，其具体是将采购的Ni-Cu合金、少量Mn-Si合金放入电阻熔炼炉内，待金属熔化后，将合金熔体的温度控制在1750℃，随后将纯La压入到合金熔体的底部，待La完全溶解后，保温1 h，并不断搅拌，随后将所得混合熔体浇注到石墨模具中，得到直径为22 mm的棒材；将所得棒材加热到750 ℃，对其进行6道次热轧变形，将棒料的直径从22 mm轧制成6 mm；再将轧制加工好的棒料加热到200 ℃，对其进行10道次热拉拔变形，将其直径从6 mm拉拔成2 mm，从而获得镧掺杂镍铜基电弧喷涂丝材；所得丝材中含Ni 64.9 at.%、Cu 31.3 at.%、Mn 2.1 at.%、Si 0.9 at.%、La 0.8 at.%，杂质总含量不超过0.03 %；
（2）以Q235钢为基材，将其用丙酮清洗后，采用手持电动除锈机打磨去除其表面氧化层，再采用空气压缩机连接喷砂机，在压缩空气压力为0.6 MPa的条件下对其进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Sa 2.5级以上，以增强涂层与基材的结合强度；
（3）将电弧喷涂打底专用Ni-5 wt.%Al丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪喷头与基材表面的距离为150 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为38V，喷涂电弧电流为130 A，在0.8 MPa的压缩空气下将其喷涂至表面预处理好的基材表面上，获得厚度为70 μm的Ni-Al打底层；
（4）将步骤（1）中加工好的镧掺杂的镍铜基电弧喷涂丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪与基材表面的距离为160 mm，喷枪与基材平面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为38 V，喷涂电弧电流为180 A，在0.8 MPa的压缩空气下喷涂至步骤（3）所得具有Ni-Al打底层的基材表面，形成一层厚度为130 μm的面层，从而获得镧掺杂的镍铜基涂层。
对比例2
未掺杂镧元素的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备步骤如下：
（1）采用熔炼路线制备镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材，其具体是将采购的Ni-Cu合金、Mn-Si合金放入电阻熔炼炉内，待金属熔化后，将合金熔体的温度控制在1750℃，保温1 h，并不断搅拌，随后将所得合金熔体浇注到石墨模具中，得到直径为22 mm的棒材；将所得棒材加热到750 ℃，对其进行7道次热轧变形，将棒料的直径从22 mm轧制成6mm；再将轧制加工好的棒料加热到200 ℃，对其进行10道次热拉拔变形，将其直径从6 mm拉拔成2 mm，从而获得高锰硅含量镍铜基电弧喷涂丝材；所得丝材中含Ni 63.6 at.%、Cu25.6 at.%、Mn 6.1 at.%、Si 4.7 at.%，杂质总含量不超过0.03 %；
（2）以Q235钢为基材，将其用丙酮清洗后，采用手持电动除锈机打磨去除其表面氧化层，再采用空气压缩机连接喷砂机，在压缩空气压力为0.6 MPa的条件下对其进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Sa 2.5级以上，以增强涂层与基材的结合强度；
（3）将电弧喷涂打底专用Ni-5 wt.%Al丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪喷头与基材表面的距离为150 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为38V，喷涂电弧电流为130 A，在0.8 MPa的压缩空气下将其喷涂至表面预处理好的基材表面上，获得厚度为70 μm的Ni-Al打底层；
（4）将步骤（1）中加工好的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂丝材装入电弧喷涂喷枪，通过控制喷枪与基材表面的距离为160 mm，喷枪与基材平面之间的喷涂角度为90°，喷涂电弧电压为38 V，喷涂电弧电流为180 A，在0.8 MPa的压缩空气下喷涂至步骤（3）所得具有Ni-Al打底层的基材表面，形成一层厚度为130 μm的面层，从而获得高锰硅含量镍铜基涂层。
对实施例及对比例所得镍铜基涂层面层进行检测，结果见表1。
表1 实施例及对比例所得电弧喷涂镍铜基合金面层的EDS元素分析结果（at.%）
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从表1可以看出，电弧喷涂所得涂层成分与丝材成分基本接近，且实施例1-3所得涂层面层中锰硅含量依次增加，实施例2中锰和硅元素总含量在10 at.%左右（如图1），而对比例1中硅锰含量较低，对比例2中由于未加入La元素，故未检出La元素。
由图2可以看出，实施例2所得涂层表面形貌中存在一定第二相颗粒，涂层具有一定的表面粗糙度。
根据图3 XRD分析结果可知，涂层中一部分Cu与Si元素形成Cu-Si第二相，其余元素固溶与Ni元素中，与之形成Ni基固溶体相，因此XRD结果中未发现单质La相，这表明少量的La元素同样固溶至Ni基固溶体相内部。
另外，采用氧氮分析仪测得实施例2所得涂层的氧含量为1.1 wt.%，而对比例1所得较低锰硅含量的涂层的氧含量为3.4 wt.%，这表明较高的锰硅含量能够有效减少涂层的氧含量，从而有助于增加涂层的致密度，进而改善涂层的性能。
从图4可以看出，根据Q235基材的极化曲线可以得出其自腐蚀电位为-1.01 V，腐蚀电流密度为9.2×10-6 A/cm2。而实施例2所得镧掺杂的高硅锰含量镍铜基涂层的自腐蚀电位为-0.617 V，腐蚀电流密度为1.9×10-6A/cm2，可见其自腐蚀电位明显高于基材的自腐蚀电位，且腐蚀电流密度得到了显著的降低。因此，镧掺杂的高硅锰含量镍铜基涂层可大幅改善Q235基材的耐蚀性能。
表2 实施例及对比例所得涂层的性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE004
由表2可以看出，与对比例1相比，实施例1~3所得镧掺杂的镍铜基合金涂层中随着锰硅元素含量的依次增加，涂层的摩擦系数逐渐减小，磨损量有所降低，表明其耐磨性有所提升；同时，其自腐蚀电位得到增加，而腐蚀电流密度有所下降，证明高含量锰硅元素的引入能够使得涂层耐腐蚀性能得到提高。而比较实施例2与对比例2可以看出，相比于未掺杂镧元素的高锰硅含量镍铜基涂层，少量镧元素的加入也能够减小涂层的摩擦系数和磨损量，提升其耐磨性能；同时所得涂层自腐蚀电位有所增加，而腐蚀电流密度降低，这表明镧元素加入有助于改善镍铜基电弧喷涂涂层的耐蚀性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）镧掺杂高锰硅含量镍铜基合金丝材的制备：将Ni-Cu合金、Mn-Si合金熔化后，将合金熔体的温度控制在1750℃，随后将纯La压入到合金熔体的底部，待La完全溶解后，保温1h，并不断搅拌，随后将所得混合熔体浇注到石墨模具中，得到直径为22mm的棒材，将所得棒材加热到750℃后，对其进行7道次热轧变形，使棒材的直径从22mm轧制成6 mm，再将所得棒材加热到200℃后，对其进行10道次热拉拔变形，使其直径从6 mm拉拔成2mm，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材；
（2）基材的表面预处理：将基材用丙酮清洗后，采用除锈机去除基材表面氧化层，再在压缩空气压力为0.6 MPa的条件下进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Sa 2.5级以上；
（3）电弧喷涂NiAl打底层：在0.8 MPa的压缩空气压力下，将电弧喷涂打底专用Ni-5wt.%Al丝材喷涂至预处理好的基材表面上，获得Ni-Al打底层；
（4）电弧喷涂镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金涂层：在0.8 MPa的压缩空气压力下，将步骤（1）加工好的镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材喷涂在步骤（3）所得具有Ni-Al打底层的基材表面作为面层，从而获得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基涂层。
2. 根据权利要求1所述的一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其特征在于，步骤（1）所得镧掺杂的高锰硅含量镍铜基合金丝材中各成分所占百分含量为Ni 60~65 at.%、Cu 24~32 at.%、Mn 4~7 at.%、Si 2~5 at.%、La 0.5~1 at.% ，其百分含量之和为100%；杂质总含量≤0.03 wt.%。
3.根据权利要求1所述的一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述基材为Q235钢、Q345钢、45#钢中的任意一种。
4. 根据权利要求1所述的一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其特征在于，步骤（3）喷涂时，喷枪喷头与基材表面的距离为130 mm~200 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为80~90°，喷涂电弧电压为35V~40 V，喷涂电弧电流为100 A~150 A。
5. 根据权利要求1所述的一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其特征在于，步骤（4）喷涂时，喷枪喷头与基材表面的距离为130 mm~200 mm，喷枪与基材表面之间的喷涂角度为80~90°，喷涂电弧电压为35V~40 V，喷涂电弧电流为150 A~ 200 A。
6. 根据权利要求1所述的一种镧掺杂的高锰硅含量镍铜基电弧喷涂涂层的制备方法，其特征在于，所得涂层总厚度为100~300 μm，其中，Ni-Al打底层的厚度为30~100 μm，面层厚度为70~200 μm。
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