一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层及其制备方法，属于喷涂材料制备技术领域。技术方案包括：首先，利用热喷涂方法喷涂具有自粘结效应的较高熔点金属包覆结构的复合金属粉末制备高度致密、与基体结合良好而且沉积粒子界面间结合良好的金属合金涂层；其次，对上述致密金属合金涂层，采用冷喷涂方法或传统喷丸方法产生具有指向性的高速钢丸颗粒束流，以一定相对移动速度喷射向涂层表面，基于高速颗粒碰撞产生的塑形变形效应对该金属涂层进行致密化，制备具有优异耐腐蚀性能的类铸造块体的完全致密金属合金涂层。该方法操作简单，原料来源广，制备效率高，经该方法能够制备得到具有优异耐腐蚀性能的致密度接近块体的金属合金涂层。

A corrosion resistant metal alloy coating with fully dense thermal spraying and its preparation method

The invention discloses a corrosion-resistant completely dense thermal spraying metal alloy coating and a preparation method, which belongs to the technical field of the preparation of the spraying material. The technical scheme comprises: firstly, using the method of thermal spraying coating with composite metal powder with high melting point metal self bonding effect coating structure, and good preparation of highly dense particle deposition interface between metal alloy coating with good adhesion; secondly, the dense metal alloy coating, the method or the traditional peening method has high speed steel beam particles directional flow of cold spray at a relative speed to spray coating surface, shaping high-speed particle collision deformation densification of the metal coating effects based on the preparation of fully dense metal alloy coating has excellent corrosion resistance of the type of casting block. The method is simple, with wide source of raw materials and high preparation efficiency. By this method, a metallic alloy coating with excellent corrosion resistance and close to the block can be prepared.

【技术实现步骤摘要】
一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层及其制备方法
本专利技术属于喷涂材料制备
，涉及材料表面工程技术与机械制造、材料保护、石油化工与能源等领域，具体涉及一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层及其制备方法。
技术介绍
金属合金零部件的腐蚀是限制其服役寿命的重要因素。因此，许多研究致力于提高金属零部件的耐腐蚀性能。通常认为在满足结构承载性能的基体金属表面上沉积一层保护涂层是提高基体金属耐腐蚀性能的有效途径。对于阴极保护涂层而言，涂层可作为将基体金属与腐蚀环境隔离的有效屏障而阻碍或减缓基体金属的腐蚀。因此，具有完全致密的组织结构是对阴极保护涂层的必要要求，因为涂层中的任何缺陷，如孔隙，特别是从涂层表面联通至涂层与基体界面的贯通孔隙，会为腐蚀介质提供穿过涂层到达基体金属表面的通道，在界面处引起或加速基体金属的腐蚀，使得保护涂层的保护效果失效。作为在基体上制备保护涂层的常见表面技术之一，热喷涂由于具有一系列优点而在表面工程中占有大的市场占有率。例如，热喷涂由于对环境友好无污染的特点，可以替代电镀沉积硬铬涂层；由于可在现场实施涂层制备，喷涂涂层制备不受基体材料尺寸与场地的限制，在现场如火力电厂等在已有大型结构件表面制备涂层；而且由于热喷涂可使用粉末制备涂层，材料范围广泛，热喷涂金属合金涂层因可选择的金属材料材料广泛，在热喷涂应用领域中具有重大比例。例如等离子喷涂Ni基、Fe基和Co基合金涂层由于具有优异的耐高温氧化及耐腐蚀性能而被广泛用于保护锅炉管道、涡轮机叶片等组件。然而，研究表明热喷涂涂层具有典型的多孔层状结构特点，且由于涂层中沉积粒子界面间的结合不完全，在粒子之间通常存在大量没有真正结合的界面，这些未结合的粒子界面构成了涂层中特殊的一类狭缝式的孔隙，该类孔隙相互联通，形成从涂层表面一直联通至基体表面的贯通孔隙。这类孔隙为液体类或气体类腐蚀介质的渗透或穿透提供了传输通道，使得上述腐蚀介质完全可以容易达到基体与涂层界面处，引起基体的腐蚀，基于界面的化学状态，通常还会加速基体沿界面的腐蚀。不断的腐蚀逐渐弱化界面结合，最终导致涂层从基体表面局部或完全脱落、涂层保护失效，使得基体失去保护。因此，如何通过提高热喷涂金属合金涂层的界面间结合、或消除贯通孔隙成为保证基体通过热喷涂金属合金涂层得到保护的关键问题。为了解决上述问题，许多研究首先致力于降低涂层的孔隙率、提高热喷涂涂层的致密度。常见的方法主要有以下几种：如通过优化喷涂参数来提高碰撞粒子的温度、提高飞行粒子速度等。而研究表明尽管通过工艺优化，可以降低涂层的表观孔隙率，但优化工艺的方法都不能大幅度提高热喷涂金属合金涂层界面间结合，从而仅通过热喷涂方法自身尚不能消除涂层中的贯通孔隙。基于上述现状，针对获得阻止腐蚀介质的穿透而避免基体的腐蚀、保证涂层对基体的腐蚀保护的这一要求，通常或采用封孔剂对涂层进行封孔、或对涂层进行重熔处理消除孔隙。封孔处理需要封孔剂在毛细管作用下渗入涂层中的孔隙而实现封孔的效应，但在现场对结构件进行封孔处理时，或因无法将涂层中的气体排除、或受封孔剂粘度的影响等无法将涂层中所有孔隙用封孔剂填充，因此，大部分情况下仅封闭了表面附近的孔隙，对于同时存在腐蚀与磨损的工矿，随磨损的进行，封闭效果逐渐消失而失去封孔效果。对于涂层重熔处理，典型的应用事例为自熔合金涂层材料系列，在喷涂涂层形成好后或在喷涂过程中，利用火焰将涂层完全熔化而消除孔隙，同时赋予涂层与基体的冶金结合效应。然而，一方面该方法仅适用于自熔合金材料涂层，如镍基自熔合金、或铁基自熔合金、或钴基自熔合金等，另一方面，通常适用于厚度大于500微米而小于1毫米的厚度涂层，而同时不适合于形状复杂的结构件、或结构件尺寸较大的现场实施。因此，如何通过简便的后处理工艺、并且具有广泛适用性的工艺获得没有贯通孔隙的仅块体致密度的金属合金涂层，依然是通过热喷涂工艺制备具有优异耐腐蚀性能的涂层而应用、实现基体金属材料的有效可靠保护需要解决的关键问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层及其制备方法，该方法操作简单，原料来源广，制备效率稿，经该方法能够制备得到具有优异耐腐蚀性能的致密度接近块体的金属合金涂层。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开了一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层的制备方法，包括以下步骤：1)以具有自粘结效应的壳核结构包覆复合粉末作为热喷涂原料粉末，热喷涂制得致密金属合金涂层；该致密金属合金涂层与基体结合良好而且沉积粒子界面间结合良好；2)采用冷喷涂喷枪或传统的喷丸方法产生具有指向性的高速钢丸喷射颗粒束流，以一定相对移动速度喷向致密金属合金涂层表面，基于高速颗粒碰撞产生的塑形变形效应对该金属涂层进行致密化，完全消除涂层中的少量微小孔隙，并基于颗粒碰撞变形产生的冷焊效应，使沉积粒子间存在的未完全结合界面形成牢固的连接，依次制备无贯通孔隙的具有优异耐腐蚀性能的类铸造块体的完全致密金属合金涂层。优选地，所述具有自粘结效应的壳核结构包覆复合粉末，是指在喷涂过程中具有在粒子完全熔化之前包覆层与被包覆芯部粒子不发生分离且能够保持整体完整性的壳核结构复合粉末粒子；其中，作为包覆层材料的熔点大于被包覆芯部材料的熔点，热喷涂制备的涂层与基体的结合强度及粒子之间的结合强度足够高，当采用高速钢丸进行喷射处理时，涂层不发生或冲蚀、或局部脱落、或整体脱落的现象。其中，作为包覆层或壳层部分占壳核结构包覆复合粉末总质量的3％～35％。进一步优选地，所述具有自粘结效应的壳核结构包覆复合粉末，包括：所述具有自粘结效应的壳核结构包覆复合粉末，包括：采用难熔金属Mo包覆Ni、Ni基合金、Fe或Fe基合金粉末；或者，采用难熔金属Ta、Mo和W中两种或三种的合金包覆Ni、Ni基合金粉末、Fe、Fe基合金粉末、Cu或Cu合金粉末；或者，采用Fe包覆Al或Al合金粉末；或者，采用Al、Cu、Al合金或Cu合金粉末包覆Zn或Zn合金粉末。优选地，所述热喷涂采用等离子喷涂法或者火焰喷涂法；其中，等离子喷涂法包括大气等离子喷涂法、气罩保护等离子喷涂法、低压等离子喷涂法或真空等离子喷涂法。优选地，步骤2)中，高速钢丸喷射颗粒采用粒度范围为100～300μm的球形不锈钢颗粒。进一步优选地，球形不锈钢颗粒为奥氏体不锈钢颗粒、马氏体不锈钢颗粒、铁素体不锈钢颗粒或是双相不锈钢颗粒。优选地，步骤2)中，采用冷喷涂装置或钢丸加速装置产生速度为30m/s～300m/s的钢丸喷射颗粒束流，钢丸喷射颗粒束流沿表面移动过程中钢丸依次碰撞在基体表面，能够对涂层产生变形致密化冷焊处理效应。加速钢丸的装置是钢丸送给量可控制调节的加速装置，或是采用冷喷涂装置，或是采用进行喷砂表面处理使用的颗粒加速装置，或是其他喷丸处理所用的可进行钢丸加速的装置。优选地，步骤2)中，使用高压空气或氮气作为加速气体，气体压力为0.3～4MPa，气体温度为15℃～200℃；喷涂过程中喷涂枪移动速度为10mm～500mm/s，喷涂次数为1～10次，通过喷丸参数组合，使得整个涂层内的微小孔隙被完全消除。本专利技术还公开了基于上述制备方法制得的完全致密热喷涂金属合金涂层，该金属合金涂层的致密度高，氧化物含量低，无贯通孔隙，涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以具有自粘结效应的壳核结构包覆复合粉末作为热喷涂原料粉末，热喷涂制得致密金属合金涂层；2)采用冷喷涂或喷丸方法产生具有指向性的高速钢丸喷射颗粒束流，喷向致密金属合金涂层表面，直至制得无贯通孔隙或耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层。

【技术特征摘要】
1.一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以具有自粘结效应的壳核结构包覆复合粉末作为热喷涂原料粉末，热喷涂制得致密金属合金涂层；2)采用冷喷涂或喷丸方法产生具有指向性的高速钢丸喷射颗粒束流，喷向致密金属合金涂层表面，直至制得无贯通孔隙或耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层。2.根据权利要求1所述的耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层的制备方法，其特征在于，所述具有自粘结效应的壳核结构包覆复合粉末，是指在喷涂过程中具有在粒子完全熔化之前包覆层与被包覆芯部粒子不发生分离且能够保持整体完整性的壳核结构复合粉末粒子；其中，作为包覆层材料的熔点大于被包覆芯部材料的熔点；作为包覆层或壳层部分占壳核结构包覆复合粉末总质量的3％～35％。3.根据权利要求1或2所述的耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层的制备方法，其特征在于，所述具有自粘结效应的壳核结构包覆复合粉末，包括：采用难熔金属Mo包覆Ni、Ni基合金、Fe或Fe基合金粉末；或者，采用难熔金属Ta、Mo和W中两种或三种的合金包覆Ni、Ni基合金粉末、Fe、Fe基合金粉末、Cu或Cu合金粉末；或者，采用Fe包覆Al或Al合金粉末；或者，采用Al、Cu、Al合金或Cu合金粉末包覆Zn或Zn合金粉末。4.根据权利要求1所述的耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层的制备方法，其特征在于，所述热喷涂采用等离子喷涂法或者火焰喷涂法；其中，等离子喷涂法包括大气等离子喷涂法、气罩保护等离子喷涂法、低压等离子喷涂法或真空等离子喷涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长久，田佳佳，雒晓涛，李成新，杨冠军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61