一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法及复合材料技术

本发明专利技术提供了一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法及复合材料，该制备方法以非晶合金粉末为原料，粉末喷涂前进行液氮‑室温循环深冷处理，增加非晶合金中流变单元的数量，使非晶颗粒在撞击过程中更容易产生剪切带，提高非晶合金的宏观塑性以及沉积效率，可有效提高涂层的非晶度。本发明专利技术复合材料的抗腐蚀以及耐磨损性能较好。本发明专利技术采用冷喷涂技术能够有效保留原始粉末的非晶结构和性能，制备的涂层具有较高的硬度及良好的耐磨损性能，可应用于金属表面改性领域。

【技术实现步骤摘要】
一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法及复合材料
本专利技术涉及表面改性领域，具体涉及一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法及复合材料。
技术介绍
相较于传统晶体材料，非晶合金由于具有独特的短程有序，长程无序的原子排列结构，相较于传统晶态合金，其组织成分更加均匀，理化性能也呈各向同性。且非晶组织中不存在晶界、位错等晶体缺陷，具有优异的耐腐蚀、耐磨损性能，以及较高的抗拉强度和弹性模量，受到了科学界和工程界的广泛关注，具有巨大的应用潜力。所以在晶态金属材料表面制备非晶态合金涂层，不仅可以提高基体表面耐久性，还可以修复表面受损的零部件，延长零部件的服役寿命，具有良好的工业应用价值和经济效益。目前，制备非晶涂层的技术主要有激光熔覆和热喷涂技术，但在制备过程中均涉及到高温以及原材料的重熔，非晶合金材料发生氧化、晶化的现象难以避免，此外，沉积过程中非晶涂层的快速冷却易导致缩孔的产生，因而热喷涂、激光熔覆等技术所制备的非晶合金涂层的组织结构较为复杂，通常含有氧化物夹杂、未熔化的颗粒及孔洞，对非晶涂层的性能发挥产生不利影响。冷喷涂(ColdSpray,CS)技术是一种以低温固态喷涂沉积为特点的涂层制备技术，一般采用高压气体在较低的温度下(一般低于600℃)驱动粉末粒子经由缩放的拉瓦尔(Laval)喷管产生超音速气固两相流，颗粒以极高的速度(300～1200m/s)撞击基体表面，发生剧烈的塑性变形沉积形成涂层，可有效避免高温导致的氧化、相变、热裂等不利因素，在制备对温度、相变、氧化敏感的非晶、纳米晶等涂层材料方面具有巨大的优势和潜力。近年来，国内外研究者使用冷喷涂技术成功制备了非晶涂层，但是非晶颗粒沉积过程中不易发生塑性变形，粉末沉积效率较低，且在涂层制备过程中载气的压力高于4MPa，气体预热温度也高于非晶的晶化温度，导致制备涂层的成本较高，且颗粒容易发生晶化，降低涂层的非晶度。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提出一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法及复合材料，本专利技术可有效提高涂层的非晶度。本专利技术采用的技术方案如下：一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法，包括如下过程：非晶合金粉末为原料，对所述原料进行液氮-室温循环深冷处理，然后使用冷喷涂方法将经过液氮-室温循环深冷处理的原料沉积到基体表面，得到嵌入式复合非晶涂层；对所述原料进行液氮-室温循环深冷处理的过程包括：将原料在液氮中冷冻5-10min，然后取出，再在室温环境保温5-10min，按照上述过程在液氮和室温环境重复处理若干次，之后将处理完的原料真空干燥去除水分。优选的，对所述原料进行液氮-室温循环深冷处理时，将原料放置在冻存管中，冻存管的直径为10-20mm，然后将装有原料的冻存管放在液氮中浸泡5-10min，然后将冻存管取出，放置在室温环境保温5-10min，在液氮和室温环境重复处理12-20次。优选的，在真空干燥的温度为40-80℃下，干燥时间为4-6h。优选的，非晶合金粉末的粒度范围为5-30μm，粉末形状为球形粉或不规则形状粉末。优选的，使用冷喷涂方法将经过液氮-室温循环深冷处理的原料沉积到金属基体表面时，喷涂距离为5-40mm，气体静止压力为0.7-1.5MPa，气体预热温度为：200-500℃，喷枪移动速率为：5-100mm/s，送粉速率为1-50g/min。优选的，所述基体采用金属基体或无机非金属基体，当基体为金属基体时，所述基体材质为铝合金、镁合金、钛合金、铜合金或镍基合金；当基体为无机非金属基体时，所述基体的材质采用聚合物。优选的，冷喷涂过程中采用的工作气体为氮气、氦气和压缩空气中的一种或几种的混合气体。优选的，冷喷涂前对基体的表面进行清洁。本专利技术还提供了一种复合材料，该复合材料包括基体以及设置于基体表面的嵌入式复合非晶涂层，所述嵌入式复合非晶涂层采用本专利技术上述的方法制得。本专利技术具有如下优点和效果：本专利技术利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法中，先对非晶合金粉末进行液氮-室温循环深冷处理，能够增加非晶合金粉末的内部流变单元数量，使得非晶合金粉末在与基体碰撞发生剧烈塑性变形时，更多的流变单元演化成剪切带，提高非晶合金的宏观塑性，促进非晶颗粒的变形与有效沉积；通过液氮-室温循环深冷处理后，非晶颗粒的塑性提升，在喷涂过程中可使用相对较低的气体预热温度和气压制备非晶复合涂层，可最大程度的保留非晶合金颗粒的非晶结构以及物理、化学性能，且可有效降低涂层的制备成本，因此本专利技术可使用低压冷喷涂技术直接制备复合非晶涂层，进而可显著降低涂层制备成本。进一步的，真空干燥的温度为40-80℃下，干燥时间为4-6h，真空干燥温度设定为40-80℃，主要考量为温度太低，去除水分速度慢，或者去除不彻底；温度太高，当干燥一些轻合金非晶粉末时存在危险性，高温条件下粉末容易爆炸，其次太高的温度会导致金属粉末氧化加剧。进一步的，非晶合金粉末的粒度范围为5-30μm，针对粒度，如果粉末粒径太小，质量较小的粉末在通过基板表面的激波区时，动能损失很严重，速度较低，导致粉末的沉积校率不高；当粉末的粒径太大时，气体对粉末的加速效果将减弱，同样粉末速度不高，影响沉积效率。进一步的，使用冷喷涂方法将经过液氮-室温循环深冷处理的原料沉积到金属基体表面时，，气体静止压力为0.7-1.5MPa，气体预热温度为：200-500℃，喷枪移动速率为：5-100mm/s，送粉速率为1-50g/min，针对喷涂距离，距离太小激波区较大，粉末速度损失严重，而喷涂距离较远时，粉末从喷枪口飞出后，较长的飞行距离粉末的速度也会降低，影响沉积效率，综合上述原因，本专利技术喷涂距离为5-40mm。针对气体预热温度的范围，主要考量非晶粉末的晶化转变温度，当气体预热温度超过粉末晶化温度后，粉末存在晶化的可能性，如果制备的涂层晶化了，那么本专利技术的优越性就不存在，因此本专利技术气体预热温度为：200-500℃。喷枪的移动速率与送粉率则主要考量粉末的沉积效率和设备的工作效率。本专利技术的复合材料中嵌入式复合非晶涂层采用本专利技术上述的方法制得，因此本专利技术的复合材料表面粗糙度低，结构致密，耐磨损性能好。附图说明图1为本专利技术中经过液氮-室温循环深冷处理的铁基非晶合金粉末SEM形貌图；图2本专利技术中6061基体-铁基非晶合金复合涂层界面形貌图；图3本专利技术中非晶合金复合涂层与6061铝合金基体摩擦系数曲线图；图4本专利技术中非晶合金复合涂层与6061铝合金基体质量磨损图；图5本专利技术中使用原始铁基非晶合金粉末制备得到非晶复合涂层的SEM形貌图；图6本专利技术中TC4钛合金基体-铁基非晶合金复合涂层界面形貌图；图7本专利技术中非晶合金复合涂层与TC4钛合金基体质量磨损图。具体实施方式下面结合附图和实施例来对本专利技术做进一步的说明，所举实施例是为了更好地对本专利技术的内容进行说明，但并不是本专利技术的内容仅限于所举实施例。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法，其特征在于，包括如下过程：/n非晶合金粉末为原料，对所述原料进行液氮-室温循环深冷处理，然后使用冷喷涂方法将经过液氮-室温循环深冷处理的原料沉积到基体表面，得到嵌入式复合非晶涂层；/n对所述原料进行液氮-室温循环深冷处理的过程包括：将原料在液氮中冷冻5-10min，然后取出，再在室温环境保温5-10min，按照上述过程在液氮和室温环境重复处理若干次，之后将处理完的原料真空干燥去除水分。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法，其特征在于，包括如下过程：
非晶合金粉末为原料，对所述原料进行液氮-室温循环深冷处理，然后使用冷喷涂方法将经过液氮-室温循环深冷处理的原料沉积到基体表面，得到嵌入式复合非晶涂层；
对所述原料进行液氮-室温循环深冷处理的过程包括：将原料在液氮中冷冻5-10min，然后取出，再在室温环境保温5-10min，按照上述过程在液氮和室温环境重复处理若干次，之后将处理完的原料真空干燥去除水分。


2.根据权利要求1所述的一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法，其特征在于，对所述原料进行液氮-室温循环深冷处理时，将原料放置在冻存管中，冻存管的直径为10-20mm，然后将装有原料的冻存管放在液氮中浸泡5-10min，然后将冻存管取出，放置在室温环境保温5-10min，在液氮和室温环境重复处理12-20次。


3.根据权利要求1所述的一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法，其特征在于，在真空干燥的温度为40-80℃下，干燥时间为4-6h。


4.根据权利要求1所述的一种利用冷喷涂制备嵌入式复合非晶涂层的方法，其特征在于，非晶合金粉末的粒度范围为5-30μm，非晶合粉末形状为球形...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛文娟，李旭，王强，王璐，毛轩，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61