技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于表面工程耐蝕隔熱材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耐蝕隔熱涂層體系及其制備方法，在鋁合金表面噴涂耐蝕隔熱涂層，以使鋁合金材質(zhì)的部件在海洋環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。

背景技術(shù)：
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鋁合金以其比強度和比剛度高以及減振性好的一系列優(yōu)點在航空、航天、汽車、電子和家電等行業(yè)具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，但是因為鋁合金的化學(xué)性質(zhì)活潑，容易遭受腐蝕、硬度低，不耐磨、熔點低，耐熱性能差,限制了鋁合金在抗熱環(huán)境的研究和應(yīng)用發(fā)展緩慢；表面處理能有效改進各種鋁合金的表面性能,提高耐腐蝕、耐磨耗和耐熱性能，使用最廣泛的防護方法是在鋁合金基體上噴涂熱障涂層，熱障涂層的制備方法包括電子束物理氣相沉積法(eb-pvd)、火焰噴涂、等離子噴涂(aps)、超音速火焰噴涂(hvof)和爆炸噴涂等，其中，等離子噴涂、粉末火焰噴涂、超音速火焰噴涂和爆炸噴涂均屬于熱噴涂技術(shù)，區(qū)別在于通過不同的加熱方式使顆粒在不同結(jié)構(gòu)的噴槍中熔化進行噴涂，熱噴涂技術(shù)的原理是利用燃燒能或電能將噴涂粉末熔化成熔融態(tài)或半熔融態(tài)后通過氣流吹動使其霧化，高速噴射到基體表面形成噴涂層；噴涂層與基體之間以及噴涂層中顆粒之間主要是通過鑲嵌、咬合或填塞等機械形式連接，其次是通過微區(qū)冶金結(jié)合以及化學(xué)鍵結(jié)合。涂層中作為工作層的材料主要為al2o3(氧化鋁)或zro2(二氧化鋯)等高性能、低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷材料；復(fù)合涂層的引入使涂層的內(nèi)聚強度和涂層與基體的結(jié)合強度都得到了明顯提高，并且使得涂層中的熱應(yīng)力得到緩解，從而增強了涂層的抗熱震性能和服役壽命。目前，熱障涂層以mcraly(粘接層)+zro2為主要體系，其中m(金屬)是co(鈷)或ni(鎳)或者兩者的混合組份，能夠粘接涂層與基體并起到過度應(yīng)力的作用，zro2通過添加yo2(氧化釔)起到隔熱和穩(wěn)定體積的作用，mcraly中的al(鋁)通過生成al2o3(tgo熱生長層)起到阻止氧氣擴散氧化基體的作用。

由于熱噴涂方法是在高溫下進行的操作，所以對基體的熱損傷大，而且熱噴涂方法制備的涂層孔隙率較高，涂層長期處于海洋環(huán)境中不可避免的會遭受海洋環(huán)境的腐蝕；在鹽霧環(huán)境中，鹽霧沿孔隙到達基體的粘結(jié)層和基體，同樣會造成粘結(jié)層和基體遭受海洋環(huán)境的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物會導(dǎo)致隔熱陶瓷層結(jié)合力下降使涂層最終發(fā)生脫落失效；同時，mcraly+zro2涂層體系在諸多應(yīng)用實例中表明，其耐蝕性能(非熱腐蝕)較差，不適合海洋環(huán)境的腐蝕防護，從而，設(shè)計新的適合海洋環(huán)境防腐的涂層體系成為了迫切需求，相關(guān)專利文獻中的燒結(jié)熱漲涂層是在鋁、鎂合金及其復(fù)合材料表面，先通過硅酸鹽和磷酸鹽體系等離子體電解液使鋁、鎂合金及其復(fù)合材料表面電解氧化成膜介質(zhì)，再在等離子電解氧化膜基礎(chǔ)上以電泳沉積電解液的電泳沉積，制得鋁、鎂合金及其復(fù)合材料表面熱障涂層，其仍然不能解決膨脹系數(shù)大的問題，沒有得到推廣使用。因此，研發(fā)設(shè)計一種用于海洋環(huán)境中鋁合金耐蝕隔熱涂層體系及其制備方法，基于冷噴涂技術(shù)改善鋁合金表面涂層的性能，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金表面存在熱障涂層防腐性能差的缺點，研發(fā)設(shè)計一種鋁合金耐蝕隔熱涂層體系及其制備方法，在鋁合金基體上制備性能良好的耐熱涂層，使基體到涂層的物理參數(shù)過度平穩(wěn)，在海洋環(huán)境中使用時能夠抵御飛濺海水的腐蝕和熱震破壞。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的耐蝕隔熱涂層體系的主體結(jié)構(gòu)包括復(fù)合打底層、防腐層、隔熱層和封閉層；鋁合金基體的上表面噴涂有復(fù)合打底層，復(fù)合打底層的表面噴涂有防腐層，防腐層的表面噴涂有隔熱層，隔熱層的表面噴涂有封閉層；復(fù)合打底層是將ni粉末與al粉末混合后采用低壓冷噴涂工藝噴涂在鋁合金基體的上表面制備而成的，其中ni的重量百分比為10-20％，以使復(fù)合打底層的熱膨脹系數(shù)與鋁合金基體的熱膨脹系數(shù)相近，復(fù)合打底層的厚度為50-200μm；防腐層是將zn粉末與ni粉末混合后采用冷噴涂或熱噴涂工藝噴涂在復(fù)合打底層的表面制備而成的，其中ni的重量百分比為20-30％，防腐層的涂層厚度為80-120μm，防腐層具有隔離鋁合金基體與外界環(huán)境的作用；隔熱層是由4-8層復(fù)合隔熱層構(gòu)成，復(fù)合隔熱層是將m粉末、cr粉末和al粉末的混合粉末與al2o3或zro2粉末混合后采用高壓冷噴涂工藝噴涂在防腐層的表面制備而成的，其中m粉末為co粉末或ni粉末或co粉末與ni粉末的混和粉末，隔熱層中的mcral粉末的重量百分比從80％向0％過渡，每層間的過渡量小于30％，最表層的al2o3粉末或zro2粉末采用等離子噴涂工藝噴涂，復(fù)合隔熱層的厚度為50-80μm，隔熱層的厚度為200-640μm，隔熱層涵蓋梯度的和單一的成份變化；封閉層是將al2o3粉末或zro2粉末與封閉劑混合后采用熱噴涂工藝噴涂在隔熱層的表面制備而成的，其中al2o3粉末或zro2粉末的重量百分比為20-60％，封閉層的厚度為200-300μm，封閉層具有將環(huán)境中的熱量和腐蝕與鋁合金基體隔離的作用。

本發(fā)明涉及的耐蝕隔熱涂層體系制備方法的具體工藝過程包括預(yù)處理基體、制備復(fù)合打底層、制備防腐層、制備隔熱層和制備封閉層共五個步驟：

(1)預(yù)處理基體：將經(jīng)過油水分離器和緩沖罐的壓力為0.6mpa的壓縮空氣通入噴槍，采用棕剛玉對鋁合金基體的表面進行噴砂活化除銹，鋁合金基體的粗糙度為20-80um，目測鋁合金基體的表面外觀均勻一致，無可見的油脂、污垢、氧化皮、孔洞、尖銳表面、縫隙和油漆涂層的附著物后，采用吸塵器對鋁合金基體的表面進行除塵處理，完成基體的預(yù)處理；

(2)制備復(fù)合打底層：在車間或復(fù)合設(shè)定要求的場地將步驟(1)預(yù)處理后的鋁合金基體預(yù)熱到90-120℃，采用低壓冷噴涂工藝將粒徑為5-20μm的ni粉末和粒徑為10-30μm的al粉末的混和粉末噴涂在鋁合金基體的上表面形成厚度為50-80μm的復(fù)合打底層，噴涂過程中的噴涂溫度為350-550℃，噴槍與鋁合金基體之間的直線距離為5-50mm，噴槍與鋁合金基體之間夾角的角度為60-90°，噴槍的送粉率小于2.5g/s，噴槍的移動速度與送粉率匹配，噴涂過程中采用壓力大于0.7mpa的壓縮空氣、氮氣、氦氣或者以上幾種氣體的混合物對鋁合金基體進行噴涂，完成復(fù)合打底層的制備；

(3)制備防腐層：檢查復(fù)合打底層的外觀，確保復(fù)合打底層無孔洞、尖銳表面和縫隙，將噴涂有復(fù)合打底層的鋁合金基體預(yù)熱到90-120℃，采用火焰噴涂、電弧噴涂或冷噴涂工藝將zn粉末和ni粉末的混和粉末噴涂在復(fù)合打底層的表面上形成znni復(fù)合涂層或znni合金涂層，噴涂過程中，噴槍與鋁合金基體之間夾角的角度為60-90°，完成防腐層的制備；

(4)制備隔熱層：采用等離子噴涂、超音速火焰噴涂和高壓冷噴涂工藝將粒徑為10-50μm的mcral粉末與粒徑為20-150μm的al2o3粉末的混和粉末或粒徑為10-50μm的mcral粉末與粒徑為20-150μm的zro2粉末的混和粉末噴涂在防腐層的表面上形成4-8層的復(fù)合隔熱層，其中m為co粉末或ni粉末或co粉末與ni粉末的混和粉末，復(fù)合隔熱層中的mcral粉末的重量百分比從80％向0％過渡，每層間的過渡量小于30％，最表層的al2o3粉末或zro2粉末采用等離子噴涂工藝噴涂，復(fù)合隔熱層的單層厚度為50-80μm，4-8層的復(fù)合隔熱層形成厚度為200-640μm的隔熱層，完成隔熱層的制備；

(5)制備封閉層：對封閉劑按照設(shè)定要求進行沖稀，以保證封閉劑的滲透性，采用熱噴涂工藝將al2o3粉末或zro2粉末與沖稀后的封閉劑混合后噴涂在隔熱層的表面上形成厚度為200-300μm的封閉層，其中al2o3粉末或zro2粉末的重量百分比為20-60％，封閉劑包括瀝青基鋁漿、鋁硅酮樹脂及硅酸鹽和鉻酸鹽的無機物，完成封閉層的制備。

本發(fā)明涉及的等離子噴涂工藝是將熔融或半熔融的變形粒子堆疊于金屬基體表面而形成涂層，變形粒子在堆疊時，不是完全重疊的，而是交錯堆疊的，而且，變形粒子的飛行速度和溫度不同，使不斷堆疊起來的粒子呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則狀，導(dǎo)致堆疊粒子之間存在縫隙，而在涂層形成過程中，變形粒子從熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，溫度不斷下降，變形粒子快速凝固，從熔融態(tài)粒子間析出的氣體來不及從粒子堆內(nèi)逸出，在涂層中形成氣孔，因此，需要對涂層的表面進行封閉處理；低壓冷噴涂工藝是一種基于空氣動力學(xué)原理的材料表面改性新技術(shù)，其利用＜600℃的低溫預(yù)熱高壓氣體攜帶粉末顆粒經(jīng)縮放型拉瓦爾噴管形成超音速氣-固雙相流，以超高速在完全固態(tài)下撞擊基體，在整個過程中，由于噴涂溫度低，粒子保持固體狀態(tài)、不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及相變、不易發(fā)生固體粒子膨脹和氧化現(xiàn)象，在撞擊過程中粉末顆粒發(fā)生塑性變形緊密結(jié)合在一起形成涂層，冷氣動力噴涂能夠?qū)崿F(xiàn)低溫狀態(tài)下的金屬涂層沉積，噴涂過程中對基體的熱影響小，材料不發(fā)生相變，而且涂層致密、孔隙率低，彌補了熱噴涂技術(shù)的缺陷，為提高復(fù)合涂層耐高溫和耐腐蝕性能開辟了新的技術(shù)道路。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，首先在鋁基體表面進行預(yù)處理，再利用低壓冷噴涂制備粘結(jié)防腐層，然后利用高壓冷噴涂方法制備梯度/漸變的粘結(jié)過度層，最后利用等離子噴涂方法制備陶瓷涂層，使得鋁合金基體與腐蝕環(huán)境完全隔絕，提升了鋁合金基體的耐用性，噴涂過程中的熱輸入量小，避免了鋁合金基體遭受破壞，冷噴涂工藝的壓應(yīng)力特性能夠提升涂層體系的耐熱循環(huán)疲勞性能，從而顯著提升鋁合金基體的耐蝕和耐熱能力，下層涂層完成噴涂后立即進行上層涂層，噴涂面不用進行噴砂處理，復(fù)合打底層和隔熱層涵蓋梯度的和單一的成份變化；其耐蝕隔熱涂層體系結(jié)構(gòu)簡單，耐蝕隔熱效果好，使用環(huán)境友好，壽命周期長，其制備方法易操作，原理科學(xué)可靠，安全環(huán)保，提高了涂層體系層間的結(jié)合強度，加強了涂層體系與基體的腐蝕相容性，具有良好的推廣和應(yīng)用前景。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明涉及的耐蝕隔熱涂層體系的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1涉及的耐蝕隔熱涂層體系的厚度結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明實施例1涉及的耐蝕隔熱涂層體系的晶相圖。

具體實施方式：

下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

實施例1：

本實施例涉及的耐蝕隔熱涂層體系的主體結(jié)構(gòu)包括復(fù)合打底層2、防腐層3、隔熱層4和封閉層5；鋁合金基體1的上表面噴涂有復(fù)合打底層2，復(fù)合打底層2的表面噴涂有防腐層3，防腐層3的表面噴涂有隔熱層4，隔熱層4的表面噴涂有封閉層5；復(fù)合打底層2是將ni粉末與al粉末混合后采用低壓冷噴涂工藝噴涂在鋁合金基體1的上表面制備而成的，其中ni的重量百分比為10-20％，以使復(fù)合打底層2的熱膨脹系數(shù)與鋁合金基體1的熱膨脹系數(shù)相近，復(fù)合打底層2的厚度為50-200μm；防腐層3是將zn粉末與ni粉末混合后采用冷噴涂或熱噴涂工藝噴涂在復(fù)合打底層2的表面制備而成的，其中ni的重量百分比為20-30％，防腐層3的涂層厚度為80-120μm，防腐層3具有隔離鋁合金基體1與外界環(huán)境的作用；隔熱層4是由4-8層復(fù)合隔熱層構(gòu)成，復(fù)合隔熱層是將m粉末、cr(鉻)粉末和al粉末的混合粉末與al2o3(氧化鋁)或zro2粉末混合后采用高壓冷噴涂工藝噴涂在防腐層3的表面制備而成的，其中m粉末為co粉末或ni粉末或co粉末與ni粉末的混和粉末，隔熱層4中的mcral粉末的重量百分比從80％向0％過渡，每層間的過渡量小于30％，最表層的al2o3粉末或zro2粉末采用等離子噴涂工藝噴涂，復(fù)合隔熱層的厚度為50-80μm，隔熱層4的厚度為200-640μm，隔熱層4涵蓋梯度的和單一的成份變化；封閉層5是將al2o3粉末或zro2粉末與封閉劑混合后采用熱噴涂工藝噴涂在隔熱層4的表面制備而成的，其中al2o3粉末或zro2粉末的重量百分比為20-60％，封閉層5的厚度為200-300μm，封閉層5具有將環(huán)境中的熱量和腐蝕與鋁合金基體1隔離的作用。

本實施例涉及的耐蝕隔熱涂層體系制備方法的具體工藝過程包括預(yù)處理基體、制備復(fù)合打底層2、制備防腐層3、制備隔熱層4和制備封閉層5共五個步驟：

(1)預(yù)處理基體：將經(jīng)過油水分離器和緩沖罐的壓力為0.6mpa的壓縮空氣通入噴槍，采用棕剛玉對鋁合金基體1的表面進行噴砂活化除銹，鋁合金基體1的粗糙度為20-80um，目測鋁合金基體1的表面外觀均勻一致，無可見的油脂、污垢、氧化皮、孔洞、尖銳表面、縫隙和油漆涂層的附著物后，采用吸塵器對鋁合金基體1的表面進行除塵處理，完成基體的預(yù)處理；

(2)制備復(fù)合打底層2：在車間或復(fù)合設(shè)定要求的場地將步驟(1)預(yù)處理后的鋁合金基體1預(yù)熱到90-120℃，采用低壓冷噴涂工藝將粒徑為5-20μm的ni粉末和粒徑為10-30μm的al粉末的混和粉末噴涂在鋁合金基體1的上表面形成厚度為50-80μm的復(fù)合打底層2，噴涂過程中的噴涂溫度為350-550℃，噴槍與鋁合金基體1之間的直線距離為5-50mm，噴槍與鋁合金基體1之間夾角的角度為60-90°，噴槍的送粉率小于2.5g/s，噴槍的移動速度與送粉率匹配，噴涂過程中采用壓力大于0.7mpa的壓縮空氣、氮氣、氦氣或者以上幾種氣體的混合物對鋁合金基體1進行噴涂，完成復(fù)合打底層2的制備；

(3)制備防腐層3：檢查復(fù)合打底層2的外觀，確保復(fù)合打底層2無孔洞、尖銳表面和縫隙，將噴涂有復(fù)合打底層2的鋁合金基體1預(yù)熱到90-120℃，采用火焰噴涂、電弧噴涂或冷噴涂工藝將zn粉末和ni粉末的混和粉末噴涂在復(fù)合打底層2的表面上形成znni復(fù)合涂層或znni合金涂層，噴涂過程中，噴槍與鋁合金基體1之間夾角的角度為60-90°，完成防腐層3的制備；

(4)制備隔熱層4：采用等離子噴涂、超音速火焰噴涂和高壓冷噴涂工藝將粒徑為10-50μm的mcral粉末與粒徑為20-150μm的al2o3粉末的混和粉末或粒徑為10-50μm的mcral粉末與粒徑為20-150μm的zro2粉末的混和粉末噴涂在防腐層3的表面上形成4-8層的復(fù)合隔熱層，其中m為co粉末或ni粉末或co粉末與ni粉末的混和粉末，復(fù)合隔熱層中的mcral粉末的重量百分比從80％向0％過渡，每層間的過渡量小于30％，最表層的al2o3粉末或zro2粉末采用等離子噴涂工藝噴涂，復(fù)合隔熱層的單層厚度為50-80μm，4-8層的復(fù)合隔熱層形成厚度為200-640μm的隔熱層4，完成隔熱層4的制備；

(5)制備封閉層5：對封閉劑按照設(shè)定要求進行沖稀，以保證封閉劑的滲透性，采用熱噴涂工藝將al2o3粉末或zro2粉末與沖稀后的封閉劑混合后噴涂在隔熱層4的表面上形成厚度為200-300μm的封閉層5，其中al2o3粉末或zro2粉末的重量百分比為20-60％，封閉劑包括瀝青基鋁漿、鋁硅酮樹脂及硅酸鹽和鉻酸鹽的無機物，完成封閉層5的制備。

本實施例涉及的等離子噴涂工藝是將熔融或半熔融的變形粒子堆疊于金屬基體表面而形成涂層，變形粒子在堆疊時，不是完全重疊的，而是交錯堆疊的，而且，變形粒子的飛行速度和溫度不同，使不斷堆疊起來的粒子呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則狀，導(dǎo)致堆疊粒子之間存在縫隙，而在涂層形成過程中，變形粒子從熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，溫度不斷下降，變形粒子快速凝固，從熔融態(tài)粒子間析出的氣體來不及從粒子堆內(nèi)逸出，在涂層中形成氣孔，因此，需要對涂層的表面進行封閉處理；低壓冷噴涂工藝是一種基于空氣動力學(xué)原理的材料表面改性新技術(shù)，其利用＜600℃的低溫預(yù)熱高壓氣體攜帶粉末顆粒經(jīng)縮放型拉瓦爾噴管形成超音速氣-固雙相流，以超高速在完全固態(tài)下撞擊基體，在整個過程中，由于噴涂溫度低，粒子保持固體狀態(tài)、不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及相變、不易發(fā)生固體粒子膨脹和氧化現(xiàn)象，在撞擊過程中粉末顆粒發(fā)生塑性變形緊密結(jié)合在一起形成涂層，冷氣動力噴涂能夠?qū)崿F(xiàn)低溫狀態(tài)下的金屬涂層沉積，噴涂過程中對基體的熱影響小，材料不發(fā)生相變，而且涂層致密、孔隙率低，彌補了熱噴涂技術(shù)的缺陷，為提高復(fù)合涂層耐高溫和耐腐蝕性能開辟了新的技術(shù)道路。

實施例2：

本實施例涉及的耐蝕隔熱涂層體系的主體結(jié)構(gòu)包括復(fù)合打底層2、防腐層3、隔熱層4和封閉層5；鋁合金基體1的上表面噴涂有復(fù)合打底層2，復(fù)合打底層2的表面噴涂有防腐層3，防腐層3的表面噴涂有隔熱層4，隔熱層4的表面噴涂有封閉層5；復(fù)合打底層2是將ni粉末與al粉末混合后采用低壓冷噴涂工藝噴涂在鋁合金基體1的上表面制備而成的；防腐層3是將zn粉末與ni粉末混合后采用火焰噴涂工藝噴涂在復(fù)合打底層1的表面制備而成的；隔熱層4是將co粉末、ni粉末、cr(鉻)粉末、al粉末和y(釔)粉末的混合粉末與zro2按照重量比為1:1混合后采用超音速火焰噴涂工藝噴涂在防腐層3的表面制備而成的，其中最表面的zro2涂層采用等離子噴涂工藝；封閉層5是zro2粉末與封閉劑混合后采用熱噴涂工藝噴涂在隔熱層4的表面制備而成的；復(fù)合打底層2的厚度為120μm，防腐層3的厚度為100μm，隔熱層4的厚度為540μm和封閉層5的厚度為200μm，耐蝕隔熱涂層體系的厚度為960μm。

本實施例涉及的耐蝕隔熱涂層體系在在實驗室進行實驗驗證表明各個涂層之間的結(jié)合強度大于30mpa，1500℃火焰熱燒蝕30s后封閉層5的表面無燒損變色，鹽霧1500h后封閉層5的表面無白銹。