耐腐蚀抗磨损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，具体涉及耐腐蚀抗磨损涂层及其冷喷涂制备方法。

背景技术

在航空、航天领域，大部分的金属零部件在使用过程中都要经历腐蚀、磨损的考验，直至失效报废。因此，为了延长金属零部件的使用寿命，通常在使用前对金属零部件进行表面处理，以提高其耐腐蚀、抗磨损性能。

金属零部件的表面处理方法有很多，例如化学转化膜、阳极氧化、电镀、热喷涂、激光改性、PVD法等。其中，化学转化膜被广泛用作涂漆底层，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。电镀的镀层与金属零部件表面的结合力差，同时，镀液中常含有重金属离子，对环境造成一定的污染。利用热喷涂在金属零部件的表面沉积金属涂层时，金属零部件表面会发生强烈的反应，使表面被氧化，生产耐腐蚀性很差的氧化膜。利用激光改性处理时，金属零部件易发生氧化、蒸发和产生热应力等问题。PVD法，例如真空蒸发、溅射、离子镀，需要在真空条件下进行，金属零部件受真空室尺寸以及回转空间的限制，即存在设备使用维护成本高、效率低、不适用于大尺寸的金属零部件等问题。

冷喷涂是一种表面喷涂工艺，整个过程金属粒子没有被熔化，利用压缩气体加速金属粒子到临界速度(超音速)，金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着。与传统金属喷涂工艺相比，冷喷涂无需熔化金属粒子，不会在基体内部产生热应力，与基体表面的结合强度高；方便控制喷涂面积与厚度，因此喷涂效果好；喷涂温度低，有效避免喷涂过程中金属粒子的氧化及晶粒长大。

目前，冷喷涂的涂层主要以纯铝为主，虽然纯铝的耐腐蚀性较好，但其强度和硬度低，以及抗磨损性较差。因此，冷喷涂的铝涂层难以适用于耐腐蚀、抗磨损性能要求较高的金属零部件，极大的限制了冷喷涂技术的应用范围。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供耐腐蚀抗磨损涂层及其冷喷涂制备方法，解决现有金属零部件的表面处理效果差，尤其是耐腐蚀、抗磨损性能较差，进而严重影响金属零部件的使用寿命。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

耐腐蚀抗磨损涂层，包括自内而外依次冷喷涂而成的底层、中间层以及面层；其中，所述底层的原料包括以下按重量百分比计的组分：锌2-4％、镁3-4％、钼1-2％、铌1-1.5％，余量为铝；所述中间层的原料包括以下按重量百分比计的组分：铬50-60％、铝25-30％、镍15-25％；所述面层的原料为碳化硅粉末。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述底层的原料粒径为20-40μm；所述中间层的原料粒径为10μm以下；所述面层的原料粒径为10-20μm。

进一步，所述底层的厚度＞面层的厚度＞中间层的厚度。

本发明的另一目的是提供耐腐蚀抗磨损涂层的冷喷涂制备方法。

具体的技术方案如下：

耐腐蚀抗磨损涂层的冷喷涂制备方法，包括以下步骤：

1)对金属零部件进行预处理；

2)采用低压冷喷涂设备，在预处理后的金属零部件表面依次喷涂底层、中间层以及面层的原料。

进一步，步骤1)中，预处理具体包括：对金属零部件依次进行除氧化、除油、除锈以及喷砂处理。

进一步，步骤2)中，底层、中间层以及面层的原料入射角度为55°-85°。

进一步，步骤2)中，所述低压冷喷涂设备的工作气体为空气，压力为5-8个大气压。

本发明的有益效果是：(1)本发明所述涂层在耐腐蚀、抗磨损等方面的性能都有显著的提升，而且强度和硬度高、孔隙率低，有效延长金属零部件的使用寿命；(2)本发明所述冷喷涂制备方法操作简单、喷涂致密性好，不会在金属零部件基体内部产生热应力，与基体表面的结合强度高；方便控制喷涂面积与厚度，喷涂效果好；喷涂温度低，有效避免喷涂过程中金属粒子的氧化及晶粒长大；采用低压冷喷涂设备，具有噪音低、安全性高、可操作性以及定向性好等优点。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明所述耐腐蚀抗磨损涂层，包括自内而外依次冷喷涂而成的底层、中间层以及面层；其中，所述底层的原料包括以下按重量百分比计的组分：锌2-4％、镁3-4％、钼1-2％、铌1-1.5％，余量为铝；所述中间层的原料包括以下按重量百分比计的组分：铬50-60％、铝25-30％、镍15-25％；所述面层的原料为碳化硅粉末。

本发明所述底层具有硬度高、抗腐蚀能力强、与金属零部件表面结合紧密等优点。所述中间层具有强硬度、低密度、与底层和面层的结合紧密等优点，显著降低所述涂层的孔隙率。所述碳化硅具有化学性能稳定、热膨胀系数小、耐磨性能好等优点，从而显著提高所述涂层的耐磨性能。

本发明通过底层、中间层及面层之间的紧密结合，显著提高所述涂层的耐腐蚀、抗磨损等性能，而且强度和硬度高、孔隙率低，从而有效延长金属零部件的使用寿命。

优选的，所述底层的原料粒径为20-40μm；所述中间层的原料粒径为10μm以下；所述面层的原料粒径为10-20μm。所述底层的厚度＞面层的厚度＞中间层的厚度。进一步提高所述涂层的强度、硬度、耐腐蚀性、抗磨损性等，降低孔隙率，延长金属零部件的使用寿命。

耐腐蚀抗磨损涂层的冷喷涂制备方法，包括以下步骤：

1)对金属零部件进行预处理；

2)采用低压冷喷涂设备，在预处理后的金属零部件表面依次喷涂底层、中间层以及面层的原料。

本发明所述冷喷涂制备方法操作简单、喷涂致密性好，不会在金属零部件基体内部产生热应力，与基体表面的结合强度高；方便控制喷涂面积与厚度，喷涂效果好；喷涂温度低，有效避免喷涂过程中金属粒子的氧化及晶粒长大；采用低压冷喷涂设备，具有噪音低、安全性高、可操作性以及定向性好等优点。

步骤1)中，预处理具体包括：对金属零部件依次进行除氧化、除油、除锈以及喷砂处理。以使金属零部件的表面获得一定的清洁度和粗糙度，使其表面的机械性能得到改善，因此提高了金属零部件的抗疲劳性，增加其与涂层之间的附着力，显著延长所述涂层的耐久性。

优选的，用蘸有丙酮的不掉毛的白布擦除金属零部件表面的油污。

喷砂处理前，检查砂砾是否需要更换以及喷砂机内部的滤芯是否污染。此外，喷砂前做好屏蔽，以防漏砂。喷砂完成后，用粗糙度对比样块对比观察喷砂区域，以确认喷砂效果是否满足要求，并用压缩空气吹净喷砂区域表面。喷砂作业后2小时内进行冷喷涂作业，否则需重新喷砂。

步骤2)中，底层、中间层以及面层的原料入射角度为55°-85°。

本发明所述低压冷喷涂设备可以采用OPSC(俄罗斯)生产的型号为Dymet的冷喷涂设备。其工作气体为空气，压力为5-8个大气压。相对于高压冷喷涂的15个大气压以上的要求，低压冷喷涂设备基本无工况要求，噪音小于60分贝。它无高温、无火焰、无危险气体、无辐射和化学废料，可独手操作，安全性高，且定向性极好。在不使用模具的情况下喷涂面积可小于高压冷喷涂，即其可操作性性更好。

实施例1

所述底层的原料包括以下按重量百分比计的组分：锌4％、镁3％、钼2％、铌1.5％，余量为铝；所述中间层的原料包括以下按重量百分比计的组分：铬50％、铝30％、镍20％。

实施例2

所述底层的原料包括以下按重量百分比计的组分：锌2.6％、镁3.6％、钼1.3％、铌1％，余量为铝；所述中间层的原料包括以下按重量百分比计的组分：铬53％、铝26％、镍21％。

实施例3

所述底层的原料包括以下按重量百分比计的组分：锌2％、镁3.3％、钼1％、铌1.1％，余量为铝；所述中间层的原料包括以下按重量百分比计的组分：铬60％、铝25％、镍15％。

实施例4

所述底层的原料包括以下按重量百分比计的组分：锌3.3％、镁4％、钼1.6％、铌1.3％，余量为铝；所述中间层的原料包括以下按重量百分比计的组分：铬56％、铝28％、镍16％。

表1

实施例1-4的冷喷涂制备方法，包括以下步骤：

1)对金属零部件依次进行除氧化、除油、除锈以及喷砂处理；

2)采用低压冷喷涂设备Dymet，在预处理后的金属零部件表面依次喷涂底层、中间层以及面层的原料；工作气体为空气，压力为5个大气压。

对比例1

专利申请号为CN201910384951.6公开的一种耐腐蚀涂层强化钻杆及其制备方法，本发明选用其具体实施方式中的实施例1作为本发明的对比例1。即所述涂层包括底层和面层；所述底层，即Ni-Al层：Ni95％、Al5％；所述面层，即Fe基非晶合金层：Cr14％、Mo26％、B1.5％、Y4％、C4％，余量为Fe，粒度为2-30μm。其中，所述底层采用电弧喷涂，所述面层采用冷喷涂，具体工艺参见CN201910384951.6，在此不做赘述。

表1中的实施例1-4均为本发明的实施例，对比例1是现有技术且为本发明的对比例，并分别对实施例1-4和对比例1制备的涂层性能进行检测，测试结果见下表2。

将实施例1-4以及对比例1制备得到的涂层采用线接触往复滑动方式进行摩擦磨损试验，加载力为1N，相对运动速度3mm/s，往返行程为10mm，磨损20000次，得到相关实验结果参数，见下表2。

采用人工模拟海水(3.5％的NaCl水溶液)腐蚀介质进行腐蚀试验。试验在常温下进行，将待测样品浸泡在3.5％的NaCl水溶液中，浸泡时间为60天，然后将样品取出清洗干燥后进行称重，以检测其耐腐蚀性，结果见下表2。

表2

参见表2，根据对实施例1-4和对比例1测试数据的分析可知，实施例3在孔隙率、耐腐蚀、抗磨损性能等方面的技术效果是4组实施例中最差的。然而，通过对实施例3和对比例1的测试数据对比可知，实施例3的技术方案无论在附着力、孔隙率等性能方面，还是在耐腐蚀、抗磨损性能等其它性能方面，均明显优于对比例1。因此，可以确定本发明技术方案具有明显优于对比例1的技术效果，本发明优选方案的技术效果更佳。采用本发明技术方案制备的涂层，在耐腐蚀、抗磨损等方面的性能都有显著的提升，而且强度和硬度高、孔隙率低，有效延长金属零部件的使用寿命，能够有效解决现有技术中存在的技术问题。

本发明中未对具体结构做出描述的机构、组件和部件均为现有技术中已经存在的现有结构。可以从市面上直接购买得到。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。