一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种冷喷涂自润滑耐磨蚀铝基涂层成分及其制备技术，属于金属表面处理技术。所述涂层包含Al和Al2O3以及M，所述M为铝稀土合金和/或铝镁合金与二硫化钼和/或二硫化钨的组合；所述Al和Al2O3中，Al2O3体积占比X为28-32％；所述涂层中，M的质量总占比Y为0.96％～70.08％；所述涂层结构表述为：(Al-Xvol％Al2O3)-Y wt％M涂层。本发明专利技术制得的铝基自润滑耐磨蚀涂层表现出了较好的耐磨损、耐局部腐蚀性能，可使海洋用钢结构得到充分的保护，延长其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层及其制备方法，属于金属表面处理

技术介绍
随着我国深海大型油气田的勘探与开发，深海钻机、钻采平台、浮式生产储卸装置的应用将日益广泛。这些海洋工程装备的上层建筑在服役过程中不仅面临着严苛的海洋大气腐蚀环境，而且还遭受着高速、强摩擦等特殊环境，由此造成的磨损和腐蚀失效问题异常突出，给装备的长周期安全运行带来巨大风险。因此，迫切需要提高设备的耐磨、耐蚀性能。在改善材料表面耐磨损及耐腐蚀性能的众多手段中，喷涂金属防护涂层是延长海洋油气装备使用寿命的重要措施之一。目前，常用的金属防护涂层多采用热喷涂、电镀、化学镀以及等离子体微弧氧化等工艺制备获得，虽然这些方法都能起到一定的防护作用，但这些技术自身都存在一些缺陷：由于热喷涂过程需要使用高温电弧、火焰、等离子体等高温热源，将喷涂粉末或线材加热到熔融或半熔融状态，容易使喷涂材料发生相当程度的相变、氧化和晶粒长大等现象，进而造成制备涂层的高孔隙、高含氧量、高热应力等缺陷；电镀和化学镀方法制备出来的镀层较薄，不够致密，附着力差，不仅制备工艺复杂困难，而且一些含重金属盐的镀液对人类健康及环境造成了威胁。等离子体微弧氧化耗能高，设备昂贵，不适合大规模生产。因此，寻找新的喷涂工艺方法，在海洋平台、钻机、在线生产储卸装置等海洋构筑物上制备防护涂层是非常必要的。冷喷涂技术，又称冷气动力学技术(ColdGasDynamicSpray，简称CGDS)，是由前苏联西伯利亚分院的科学家提出的一种新型喷涂技术。根据喷涂压力的不同，可分为两大类：低压冷喷涂技术和高压冷喷涂技术。冷喷涂方法主要是指利用压缩超声速气流(300～1200m/s)将具有一定塑性的细小固体粒子喷射到金属或绝缘基体表面，经过强烈的塑性变形而发生沉积，形成涂层的方法。在冷喷涂过程中，由于喷涂温度较低(0～700℃)，喷涂材料很难发生氧化、晶粒变大、相变等现象，能够较好地保留原始材料的性质。同时，冷喷涂过程由于工艺温度降低，固体粒子主要依靠提高动能导致的塑性变形沉积，颗粒变形较为充分，冷喷涂方法制备出来的涂层要比常规的热喷涂涂层组织结构致密、热影响残余应力低，能更好地对海洋油气装备的上层建筑行长效防护。在所有的金属材料中，金属铝及其合金颗粒因其较低的屈服强度、良好的塑性变形能力以及优秀的耐腐蚀性能，被公认为比较理想的冷喷涂材料。金属铝涂层已被广泛用做钢铁构件的防腐蚀涂层，它作为一种阳极型涂层，不仅具有屏蔽腐蚀介质的作用，使之无法与基体发生反应，而且还可以作为牺牲阳极材料，为钢铁基体提供阴极保护，保护钢铁基体免受腐蚀。众所周知，铝涂层表面可以形成惰性的氧化物薄膜，其耐蚀性取决于保护膜的完好程度和破裂后的自修复能力。而铝涂层在海洋环境中的惰性或钝态是不稳定的，易产生局部腐蚀而导致涂层体系失效，且铝涂层自身也存在强度和硬度较低的缺点，难以保证装备的长效安全和服役可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，通过添加硬质相(Al2O3陶瓷颗粒)、润滑剂(MoS2和/或WS2)和微量合金元素(Al/Mg、Al/RE)对现有铝涂层进行改性，旨在提高新涂层的润滑耐磨蚀性能；本专利技术同时提供所述涂层的制备方法。一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，所述涂层包含Al和Al2O3以及M，所述M为铝稀土(Al/RE)合金和/或铝镁(Al/Mg)合金与二硫化钼(MoS2)和/或二硫化钨(WS2)的组合；所述Al和Al2O3中，Al2O3体积占比X为28-32％；所述涂层中，M的质量总占比Y为0.96％～70.08％；所述涂层结构表述为：(Al-Xvol％Al2O3)-Ywt％M涂层。进一步地，当M为铝稀土合金与二硫化钼(MoS2)和/或二硫化钨(WS2)的组合时，控制RE元素在涂层中的质量总占比为0.003％-5.08％，MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比为0.003％～10.08％。进一步地，当M为铝镁合金与二硫化钼(MoS2)和/或二硫化钨(WS2)的组合时，控制Mg元素在涂层中的质量总占比为0.003％-5.08％，MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比为0.003％～10.08％。进一步地，当M为铝稀土合金和铝镁合金的混合物与二硫化钼(MoS2)和/或二硫化钨(WS2)的组合时，控制RE元素和Mg元素的质量之和在涂层中的总占比为0.003％-5.08％，RE元素和Mg元素的质量比值为1：1-3，MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比为0.003％～10.08％。进一步地，当M中MoS2和WS2并存时，二者的质量之和在涂层中的总占比为0.003％～10.08％且优选MoS2和WS2的质量比为3-9：1。所述铝稀土(Al/RE)合金中，RE元素质量分数≤10％，优选稀土的质量占比为0.1％-2.0％；所述铝镁(Al/Mg)合金中，Mg元素质量分数≤10％，优选镁的质量占比为2.5％-4.0％。所述涂层中，控制杂质的质量含量小于0.70％；所述杂质主要有Si、Ti、K、Fe、Cu。所述冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)选择基体，对其表面进行除油处理并清洗干净；(2)将Al粉和Al2O3粉按照Al2O3粉体积占比28-32％的比例配制，机械混合均匀，然后再加入M粉，机械混合均匀，得到喷涂粉；(3)将步骤(2)得到的喷涂粉在真空条件下烘干；(4)以压缩空气和/或惰性气体作为工作气体，进行喷涂，喷涂压力为0.6-0.8Mpa，喷涂温度为200℃～400℃，喷涂距离为15～36mm，送粉速率为20～40g/min，喷枪的横向移动速度为10～30mm/s，得到所述的冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层。所述步骤(1)中，所述基体为低碳钢或合金钢。所述步骤(2)中，所述铝粉的粒径为10～30μm，优选球形，所述氧化铝粉的粒径为20～40μm，所述M粉的粒径为5～50μm，其中优选铝稀土合金粉的粒径为5-30μm，优选铝镁合金粉的粒径为15-35μm。所述步骤(2)中，铝粉中Al的质量分数(纯度)≥99.0％，氧化铝粉中Al2O3的质量分数(纯度)≥99.0％，优选MoS2的质量分数(纯度)≥98％，WS2的质量分数(纯度)≥98％。所述步骤(3)中，优选喷涂粉末在85-95℃的真空干燥箱中烘干25-35min。所述步骤(4)中，优选喷涂温度为300℃。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术所述冷喷涂铝基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，其特征在于，所述涂层包含Al和Al2O3以及M，所述M为铝稀土合金和/或铝镁合金与二硫化钼和/或二硫化钨的组合；所述Al和Al2O3中，Al2O3体积占比X为28‑32％；所述涂层中，M的质量总占比Y为0.96％～70.08％；所述涂层结构表述为：(Al‑Xvol％Al2O3)‑Y wt％M涂层。

【技术特征摘要】
1.一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，其特征在于，所述涂层包含Al和Al2O3以及M，
所述M为铝稀土合金和/或铝镁合金与二硫化钼和/或二硫化钨的组合；所述Al和Al2O3中，
Al2O3体积占比X为28-32％；所述涂层中，M的质量总占比Y为0.96％～70.08％；所述涂层
结构表述为：(Al-Xvol％Al2O3)-Ywt％M涂层。
2.根据权利要求1所述的冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，其特征在于，当M为铝稀土
合金与二硫化钼和/或二硫化钨的组合时，控制RE元素在涂层中的质量总占比为
0.003％-5.08％，MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比为0.003％～10.08％。
3.根据权利要求1所述的冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，其特征在于，当M为铝镁合
金与二硫化钼和/或二硫化钨的组合时，控制Mg元素在涂层中的质量总占比为0.003％-5.08％，
MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比为0.003％～10.08％。
4.根据权利要求1所述的冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，其特征在于，当M为铝稀土
合金和铝镁合金的混合物与二硫化钼和/或二硫化钨的组合时，控制RE元素和Mg元素的质
量之和在涂层中的总占比为0.003％-5.08％，RE元素和Mg元素的质量比值为1：1-3，MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比为0.003％～10.08％。
5.根据权利要求1-4任一所述的冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，其特征在于，当M中
MoS2和WS2并存时，二者的质量之和在涂层中的总占比为0.003％～10.08％且MoS2和WS2的质量比为3-9：1。
6....

【专利技术属性】
技术研发人员：李焰，白杨，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37