一種高致密度冷噴涂金屬/金屬基沉積體的制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工技術領域,具體涉及一種高致密度冷噴涂金屬/金屬基沉積體的制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]冷噴涂是一種采用高速氣體在較低的溫度下(<1000°C )加速微米尺度的粒子(?5-75 y m),使其在完全固態(tài)下高速撞擊基體(?300-1200m/s),通過粒子與基體界面處劇烈的塑性變形而實現(xiàn)材料沉積的工藝。較低的氣體溫度可以避免粉末發(fā)生常規(guī)熱噴涂工藝中諸如氧化、相變、晶粒長大等熱影響。同時,較高的粒子速度有助于粒子在沉積過程中發(fā)生充分的塑形變形從而獲得組織致密的沉積體。這些特點使得冷噴涂金屬/金屬基涂層通常具有高導電性、高導熱性、高耐腐蝕性、高耐磨性等優(yōu)異特性。另一方面,較低的沉積溫度使得冷噴涂成為制備諸如納米晶金屬材料、納米復合材料、金屬玻璃等熱敏感材料,以及T1、Cu及其合金等氧化敏感材料的有效方法,可避免其它工藝引起的缺陷。近期采用冷噴涂技術進行增材制造(3D打印)研宄開發(fā)也受到關注。這些特點使冷噴涂作為制備保護涂層的方法在機械、化工等領域,作為材料沉積的方法在工件修復、增材制造方面具有廣泛的應用前景。
[0003]大量研宄結果表明,冷噴涂沉積體的性能受自身顯微結構,特別是粒子間結合狀態(tài)和孔隙率的顯著影響。沉積體中粒子間的孔隙及弱結合會嚴重影響電子、熱量及力的傳導,同時還可成為腐蝕介質進入沉積體內(nèi)部的快速通道。因此,粒子間結合狀態(tài)及沉積體的孔隙率高低對于沉積體的導電性、導熱性、力學性能及耐腐蝕性能的優(yōu)劣具有決定性作用。目前冷噴涂工藝中,增強沉積粒子間結合、降低沉積體孔隙率主要有顯著增加粒子的速度和溫度兩種途徑。增加粒子的速度可以使在高速撞擊過程中在產(chǎn)生更高的應力,迫使粒子發(fā)生更大的塑性變形;增加粒子的溫度可以顯著提升粒子的塑性變形能力進而降低粒子沉積所需臨界速度同時產(chǎn)生更大的塑性變形。顯著提高粒子的速度通常要以價格昂貴的氦氣(約為隊的40倍)作為加速氣體;提高粒子的溫度通常要通過顯著提高加速氣體的溫度來實現(xiàn),較高溫度氣流對暴露于空氣中已沉積涂層的加熱會導致易氧化金屬涂層表面出現(xiàn)氧化現(xiàn)象,嚴重影響粒子間結合的質量。另外,較高的粒子溫度,對于一些如Al、Mg、Zn等低熔點金屬、合金及部分的鎳基高溫合金會出現(xiàn)噴槍堵塞現(xiàn)象,嚴重影響冷噴涂的工藝性能。因此,亟需不需要顯著提高粒子速度和溫度且能提高冷噴涂沉積體內(nèi)粒子結合及降低孔隙率的新途徑。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷,本發(fā)明的目的在于提供一種高致密度冷噴涂金屬/金屬基沉積體的制備方法和應用,該方法無需顯著提高粒子速度和沉積溫度,操作簡單,經(jīng)該方法制備的沉積體組織致密,力學性能優(yōu)異。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0006]—種高致密度冷噴涂金屬/金屬基沉積體的制備方法,包括以下步驟:
[0007]1)取陶瓷顆粒、金屬陶瓷顆粒、純金屬或合金作為噴丸顆粒;取單一成分的純金屬、合金、金屬基復合材料,或者,純金屬、合金或金屬間化合物中兩種或兩種以上的混合體作為沉積材料粉末;
[0008]2)采用冷噴涂工藝,將噴丸顆粒和沉積材料粉末混合后噴涂在基體表面,制得高致密度冷噴涂金屬/金屬基沉積體;
[0009]其中,噴丸顆粒的體積占噴丸顆粒和沉積材料粉末總體積的20?70 %。
[0010]所述噴丸顆粒的粒徑為50?1000 ym。
[0011 ] 所述金屬基復合材料為微米晶、納米晶或金屬玻璃。
[0012]所述沉積材料粉末的粒徑為5?75 y m。
[0013]采用冷噴涂工藝噴涂時,將噴丸顆粒和沉積材料粉末機械混合后的混合粉體送入噴槍中進行噴涂;或者,將噴丸顆粒和沉積材料粉末通過單獨的送粉裝置分別送入噴槍中進行噴涂。
[0014]冷噴涂工藝以氮氣或壓縮空氣為加速氣體。
[0015]所述噴丸顆粒為球形、近球形、多角形或不規(guī)則形狀。
[0016]經(jīng)本發(fā)明方法制得的高致密度冷噴涂金屬/金屬基沉積體在制備高導電、高導熱、高耐腐蝕、高耐磨損涂層或高力學性能工件中的應用。
[0017]與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有以下有益的技術效果:
[0018]本發(fā)明公開的制備高致密度冷噴涂金屬/金屬基沉積體的方法,采用冷噴涂工藝,所使用的高速氣流將引入噴槍的噴丸顆粒與沉積材料粉末同時加速與加熱后碰撞基體,制備沉積體,在噴涂過程中借助與材料沉積材料同步的噴丸顆粒的撞擊作用實現(xiàn)噴涂材料的致密化,而噴丸顆粒由于粒徑顯著大于沉積材料粉末粒徑,所以噴丸顆粒自身不沉積或僅發(fā)生少量沉積。
[0019]經(jīng)本發(fā)明方法制得的沉積體具有更加優(yōu)越的導電性、導熱性,更高的耐腐蝕、耐磨損和更高的力學性能,因而可以廣泛應用于制備高導電、高導熱、高耐腐蝕、高耐磨損涂層或高力學性能工件。
【附圖說明】
[0020]圖1為實施本發(fā)明所涉及的部分不同粒徑、不同外形的不銹鋼噴丸顆粒;
[0021]其中,(a)球形、155mm;(b)球形、200mm ;(c)球形、250mm ;(d)短柱狀、270mm ;
[0022]圖2為采用常規(guī)方法(a)和采用本發(fā)明的原位噴丸方法(b)通過冷噴涂制備的Ti6Al4V涂層的斷面結構。
[0023]圖3為采用常規(guī)方法(a)和采用本發(fā)明的原位噴丸方法(b)通過冷噴涂制備的IN718鎳基高溫合金涂層的斷面結構。
[0024]圖4為采用常規(guī)方法(a)和采用本發(fā)明的原位噴丸方法(b)通過冷噴涂制備的納米晶NiCrAl合金涂層的斷面結構。
[0025]圖5-1為機械合金化制備的納米結構NiCrAl-Al203復合粉末;
[0026]圖5-2為35-70微米的氧化鋁陶瓷噴丸顆粒;
[0027]圖5-3為通過氧化鋁陶瓷噴丸顆粒輔助冷噴涂沉積的納米-微米雙尺度陶瓷顆粒增強NiCrAl_Al203復合涂層的斷面結構(500微米);
[0028]圖5-4為通過氧化鋁陶瓷噴丸顆粒輔助冷噴涂沉積的納米-微米雙尺度陶瓷顆粒增強NiCrAl_Al203復合涂層的斷面結構(50微米);
[0029]圖6為采用原位噴丸方法制備的高致密度Ni/Al復合沉積體的宏觀照片。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明,需要說明的是,這些實施例是本發(fā)明較優(yōu)的粒子,用于本領域的技術人員理解本發(fā)明,但本發(fā)明并不局限于這些實施例。
[0031]常規(guī)冷噴涂要通過高溫(>800°C )、高壓的(3_4MPa)工作氣體(甚至是昂貴但加速性能更好的氦氣,價格約為氮氣的50倍)將噴涂粒子加熱、加速到較高的溫度和速度,通過高溫產(chǎn)生的粒子軟化效應及高速撞擊時極高的動能實現(xiàn)粒子在沉積過程中的大應變量塑性變形,從而使已有空隙有效填充,實現(xiàn)涂層的致密化。但高溫容易使金屬粒子發(fā)生氧化,對于納米結構的粉末還可能引起納米結構的部分消失。本發(fā)明提出的方法無需采用昂貴的氦氣或者高速、高壓的工作氣體顯著提高粒子的速度和沉積溫度,而是通過原位噴丸顆粒對沉積材料的撞擊實現(xiàn)沉積粒子塑性變形的顯著增加、從而顯著提高沉積體的致密度。
[0032]本發(fā)明所述的原位噴丸,是指在噴涂材料沉積的同時引入噴丸顆粒而產(chǎn)生噴丸效應,實現(xiàn)沉積體的逐層致密化,在噴涂完畢后即可獲得高致密度的金屬/金屬基復合沉積體,不需要進行后續(xù)處理。
[0033]參見圖1,為部分不同粒徑、不同外形的不銹鋼噴丸顆粒;其中,(a)球形、155mm ;(b)球形、200mm ; (c)球形、250mm ; (d)短柱狀、270mm ;
[0034]實施例1
[0035]噴涂前對基體進行表面噴砂粗化處理,選用粒度分布為10-31 y m的Ti6Al4V合金粉末作為沉積材料粉末,加入平均粒徑為203微米的316不銹鋼噴丸顆粒,機械混合,噴丸顆粒的體積占混合粉末總體積的20?70%。采用以上混合粉末作為噴涂粉末,以氮氣作為加速氣體,在氣體溫度為550°C,氣體壓力為2.8MPa的噴涂條件下冷噴涂沉積涂層。噴丸顆粒為70vol%時的涂層斷面結構如圖2b所示,同樣條