一种耐腐蚀抗磨损的涂层及其冷喷涂制备方法

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，具体是涉及一种耐腐蚀抗磨损的涂层及其冷喷涂制备方法。

背景技术

在电子电器、机械装备、交通运输、航空航天、武器装备等领域，大量的金属零部件在服役使用过程都要经历腐蚀、磨损等严酷环境的考验，直至最终因腐蚀和磨损而失效报废。为了提高这些金属零部件的服役使用寿命，通常在使用前需要对这些金属零部件进行适当表面处理，以提高金属零部件的耐腐蚀、抗磨损性能。

金属零部件表面处理方法有很多，如化学转化膜、阳极氧化、电镀、热喷涂、激光改性等。化学转化膜被广泛用做涂漆底层，但化学转化膜只能减缓腐蚀速度，并不能有效防止腐蚀。阳极氧化可得到一定耐磨损、耐腐蚀的氧化膜，但氧化膜的脆性较大、多孔，难以得到均匀的氧化膜。电镀方法的镀液中常含有重金属离子，对环境造成一定污染。利用热喷涂在表面沉积金属涂层，在热喷涂过程中，金属零部件表面会发生强烈的反应，使表面被氧化，生成了耐蚀性很差的氧化膜。激光改性处理时金属零部件易发生氧化、蒸发和产生热应力等问题。

冷喷涂技术是一种以压缩气体作为加速介质，基于气体动力学原理，在喷涂过程中带动喷涂粉末以极高的速度碰撞金属零部件，使粉末发生塑性变形沉积而形成涂层的新型喷涂技术。与其它涂层制备技术相比，其设备装置操作使用方便，喷涂过程中粉末颗粒加热温度低无需加热至融化态，不产生热应力，结合强度高，对金属零部件基体基本无影响。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。相对于电化学方法等，冷喷涂是一种环保的绿色涂层制备工艺。但非常遗憾的是，目前冷喷涂涂层还主要以纯铝为主，虽然纯铝的耐腐蚀较好，但其强度低、硬度低，冷喷涂铝涂层仍然难以适应腐蚀、磨损严酷环境下金属零部件的表面防护需要，极大的限制了冷喷涂技术的应用。因此，现有冷喷涂涂层及其冷喷涂方法仍有待改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种通过科学优化涂层的成分和冷喷涂制备工艺，具有优异的抗磨损性能和良好的耐腐蚀性能，对金属零部件可起到有效保护作用的耐腐蚀抗磨损的涂层及其冷喷涂制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明第一方面是提供一种耐腐蚀抗磨损的涂层，所述涂层采用冷喷涂方法制备得到，由以下质量百分比的成分组成：Cu 0.25～0.35%，Mg 0.26～0.28%，Si 0.19～0.22%，Ni 0.35～0.4%，Co 0.05～0.15%，Sn 0.15～0.25%，Cr 0.05～0.15%，Zr 0.3～0.45%，B0.06～0.09%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个含量≤0.01%，总量≤0.05%。

本发明第二方面是提供一种耐腐蚀抗磨损涂层的冷喷涂制备方法，所述方法依次包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯铜锭、纯镁锭、结晶硅、AlNi5合金、AlCo5合金、AlSn5合金、AlCr5合金和AlZr5B1合金为原材料；

第二步：在1100～1200℃将铝锭加热熔化，然后加入占原材料总重量0.25～0.35%的铜锭、0.26～0.28%的镁锭、0.19～0.22%的结晶硅、7～8%的AlNi5合金、1～3%的AlCo5合金、3～45%的AlSn5合金、1～3%的AlCr5合金和6～9%的AlZr5B1合金，搅拌熔化成合金液；

第三步：用占原材料总重量0.3～0.4%的六氯乙烷对合金液进行精炼除气除杂处理，扒渣后再静置40～50分钟；

第四步：在氩气保护下将合金液雾化成合金粉，雾化合金液的温度为850～900℃，雾化氩气的压力为0.3～0.5MPa；

第五步：对合金粉进行筛选，得到粒径≤10微米的合金粉；

第六步：对金属零部件表面进行喷砂处理，再用酒精进行清洗、吹干，去除表面的杂质；

第七步：采用冷喷涂方法，在工作气体和送粉气体均为氩气，工作气体的压力为 3～4MPa，工作气体的温度为150～200℃，喷涂距离为30～40mm，喷枪行走速度为 10～20mm/s条件下，将第五步筛选得到的合金粉喷涂于金属零部件表面，获得耐腐蚀抗磨损的涂层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过科学优化涂层的成分和冷喷涂制备工艺，使涂层紧密附着在金属零部件表层，涂层致密、厚度均匀，平均厚度为300～330μm，涂层结合强度大于60MPa，涂层硬度为90～110HRB，具有优异的抗磨损性能和良好的耐腐蚀性能，对金属零部件可起到有效的保护作用，提高金属零部件抵抗磨损腐蚀的能力，延长金属零部件的服役使用寿命。

具体实施方式

本发明所述耐腐蚀抗磨损的涂层采用冷喷涂方法制备得到，由以下质量百分比的成分组成：Cu 0.25～0.35%，Mg 0.26～0.28%，Si 0.19～0.22%，Ni 0.35～0.4%，Co 0.05～0.15%，Sn 0.15～0.25%，Cr 0.05～0.15%，Zr 0.3～0.45%，B 0.06～0.09%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个含量≤0.01%，总量≤0.05%。

其中，Cu、Mg、Si的主要作用是增强涂层的硬度，这些元素在涂层中除了具有固溶强化作用外，Cu和Al还可形成CuAl

Ni、Co、Cr的熔点高、高温稳定好，除了可以进一步增强涂层的硬度外，主要作用是提高涂层与金属零部件基体结合强度，同时提高涂层的高温稳定性和耐烧蚀性能。发明人通过对涂层的成分组成进行大量的实验研究后发现，在添加总量相同的情况下，复合添加Ni、Co、Cr三种元素的作用比单独添加某一种或两种元素的作用更好，当复合添加0.35～0.4%的Ni，0.05～0.15%的Co和0.05～0.15%的Cr，可以显著提高涂层与金属零部件基体结合强度，同时提高涂层的高温稳定性和耐烧蚀性能，有利于进步提高涂层的抗磨损和耐腐蚀性能。

Sn是柔软和延展性强的弱金属，密度高，抗腐蚀性很高，发明人通过大量的实验研究后发现，在涂层中添加0.15～0.25%的Sn，可以显著提高涂层的抗腐蚀力。另外，由于Sn的质地柔软，在涂层中添加微量的Sn，可以在涂层磨损过程起到润滑作用，从而提高涂层的抗磨损能力。

Zr、B是以AlZr5B1合金形式加入到涂层中，AlZr5B1合金是由氟锆酸钠和氟硼酸钠的混合物与铝液反应得到，内部含有大量粒径小于1微米的ZrB

本发明所述耐腐蚀抗磨损涂层的冷喷涂制备方法，依次包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯铜锭、纯镁锭、结晶硅、AlNi5合金、AlCo5合金、AlSn5合金、AlCr5合金和AlZr5B1合金为原材料；

第二步：在1100～1200℃将铝锭加热熔化，然后加入占原材料总重量0.25～0.35%的铜锭、0.26～0.28%的镁锭、0.19～0.22%的结晶硅、7～8%的AlNi5合金、1～3%的AlCo5合金、3～45%的AlSn5合金、1～3%的AlCr5合金和6～9%的AlZr5B1合金，搅拌熔化成合金液；

第三步：用占原材料总重量0.3～0.4%的六氯乙烷对合金液进行精炼除气除杂处理，扒渣后再静置40～50分钟；

第四步：在氩气保护下将合金液雾化成合金粉，雾化合金液的温度为850～900℃，雾化氩气的压力为0.3～0.5MPa；

第五步：对合金粉进行筛选，得到粒径≤10微米的合金粉；

第六步：对金属零部件表面进行喷砂处理，再用酒精进行清洗、吹干，去除表面的杂质；

第七步：采用冷喷涂方法，在工作气体和送粉气体均为氩气，工作气体的压力为 3～4MPa，工作气体的温度为150～200℃，喷涂距离为30～40mm，喷枪行走速度为 10～20mm/s条件下，将第五步筛选得到的合金粉喷涂于金属零部件表面，获得耐腐蚀抗磨损的涂层。

为了更详尽的描述本发明的耐腐蚀抗磨损涂层及其冷喷涂制备方法，以下列举几个实施例作更进一步的说明。

实施例1：

耐腐蚀抗磨损涂层由以下质量百分比的成分组成：Cu 0.3%，Mg 0.27%，Si 0.21%，Ni 0.375%，Co 0.1%，Sn 0.25%，Cr 0.05%，Zr 0.4%，B 0.08%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个含量≤0.01%，总量≤0.05%；耐腐蚀抗磨损涂层的冷喷涂制备方法依次包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯铜锭、纯镁锭、结晶硅、AlNi5合金、AlCo5合金、AlSn5合金、AlCr5合金和AlZr5B1合金为原材料；

第二步：在1150℃将铝锭加热熔化，然后加入占原材料总重量0.3%的铜锭、0.27%的镁锭、0.21%的结晶硅、7.5%的AlNi5合金、2%的AlCo5合金、5%的AlSn5合金、1%的AlCr5合金和8%的AlZr5B1合金，搅拌熔化成合金液；

第三步：用占原材料总重量0.35%的六氯乙烷对合金液进行精炼除气除杂处理，扒渣后再静置45分钟；

第四步：在氩气保护下将合金液雾化成合金粉，雾化合金液的温度为875℃，雾化氩气的压力为0.4MPa；

第五步：对合金粉进行筛选，得到粒径≤10微米的合金粉；

第六步：对金属零部件表面进行喷砂处理，再用酒精进行清洗、吹干，去除表面的杂质；

第七步：采用冷喷涂方法，在工作气体和送粉气体均为氩气，工作气体的压力为3.5MPa，工作气体的温度为 180℃，喷涂距离为35mm，喷枪行走速度为 15mm/s条件下，将第五步筛选得到的合金粉喷涂于金属零部件表面，获得耐腐蚀抗磨损的涂层。

经检测，本实施例制备的涂层致密、厚度均匀，平均厚度为321μm，涂层结合强度为68MPa，涂层硬度为106HRB。

实施例2：

耐腐蚀抗磨损涂层由以下质量百分比的成分组成：Cu 0.35%，Mg 0.26%，Si0.19%，Ni 0.4%，Co 0.05%，Sn 0.2%，Cr 0.1%，Zr 0.3%，B 0.06%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个含量≤0.01%，总量≤0.05%；耐腐蚀抗磨损涂层的冷喷涂制备方法依次包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯铜锭、纯镁锭、结晶硅、AlNi5合金、AlCo5合金、AlSn5合金、AlCr5合金和AlZr5B1合金为原材料；

第二步：在1100℃将铝锭加热熔化，然后加入占原材料总重量0.35%的铜锭、0.26%的镁锭、0.19%的结晶硅、8%的AlNi5合金、1%的AlCo5合金、4%的AlSn5合金、2%的AlCr5合金和6%的AlZr5B1合金，搅拌熔化成合金液；

第三步：用占原材料总重量0.4%的六氯乙烷对合金液进行精炼除气除杂处理，扒渣后再静置40分钟；

第四步：在氩气保护下将合金液雾化成合金粉，雾化合金液的温度为900℃，雾化氩气的压力为0.3MPa；

第五步：对合金粉进行筛选，得到粒径≤10微米的合金粉；

第六步：对金属零部件表面进行喷砂处理，再用酒精进行清洗、吹干，去除表面的杂质；

第七步：采用冷喷涂方法，在工作气体和送粉气体均为氩气，工作气体的压力为4MPa，工作气体的温度为 150℃，喷涂距离为40mm，喷枪行走速度为 10mm/s条件下，将第五步筛选得到的合金粉喷涂于金属零部件表面，获得耐腐蚀抗磨损的涂层。

经检测，本实施例制备的涂层致密、厚度均匀，平均厚度为329μm，涂层结合强度为62MPa，涂层硬度为91HRB。

实施例3：

耐腐蚀抗磨损涂层由以下质量百分比的成分组成：Cu 0.25%，Mg 0.28%，Si0.22%，Ni 0.35%，Co 0.15%，Sn 0.15%，Cr 0.15%，Zr 0.45%，B 0.09%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个含量≤0.01%，总量≤0.05%；耐腐蚀抗磨损涂层的冷喷涂制备方法依次包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯铜锭、纯镁锭、结晶硅、AlNi5合金、AlCo5合金、AlSn5合金、AlCr5合金和AlZr5B1合金为原材料；

第二步：在1200℃将铝锭加热熔化，然后加入占原材料总重量0.25%的铜锭、0.28%的镁锭、0.22%的结晶硅、7%的AlNi5合金、3%的AlCo5合金、3%的AlSn5合金、3%的AlCr5合金和9%的AlZr5B1合金，搅拌熔化成合金液；

第三步：用占原材料总重量0.3%的六氯乙烷对合金液进行精炼除气除杂处理，扒渣后再静置50分钟；

第四步：在氩气保护下将合金液雾化成合金粉，雾化合金液的温度为850℃，雾化氩气的压力为0.5MPa；

第五步：对合金粉进行筛选，得到粒径≤10微米的合金粉；

第六步：对金属零部件表面进行喷砂处理，再用酒精进行清洗、吹干，去除表面的杂质；

第七步：采用冷喷涂方法，在工作气体和送粉气体均为氩气，工作气体的压力为3MPa，工作气体的温度为 200℃，喷涂距离为30mm，喷枪行走速度为20mm/s条件下，将第五步筛选得到的合金粉喷涂于金属零部件表面，获得耐腐蚀抗磨损的涂层。

经检测，本实施例制备的涂层致密、厚度均匀，平均厚度为303μm，涂层结合强度大于71MPa，涂层硬度为108HRB。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。