一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法，旨在解决常规冷喷涂条件下沉积率低、喷涂件强度高而韧性低的难题，拓宽冷喷涂技术的使用范围与应用价值。具体采用气雾化法制备铝合金粉末，利用旋转热处理炉对铝合金粉末进行热处理，将热处理后的粉末进行冷喷涂成形，获得冷喷涂制件。经本发明专利技术提供的热处理方法制备的冷喷涂件强度以及塑性均可获得明显的提升，抗拉强度最大可提升48.6％，延伸率最高可提升114％。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法
本专利技术属于冷喷涂涂层
，具体涉及一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法。
技术介绍
飞机等航空装备使用了大量铝、镁合金制造的零件，长期使用过程中易产生疲劳裂纹与应力腐蚀等现象，需定期进行维修。在航空装备大修时，由于铝、镁合金可焊性差、焊接热输入大等原因给设备维修带来极大困难。热喷涂修复技术由于涂层孔隙率高、耐腐蚀和抗氧化性能差，容易造成基体的热损伤，不适于铝、镁合金的维修。冷喷涂(ColdSpraying)技术是利用固态颗粒在高速冲击下经剧烈塑性变形沉积形成涂层，喷涂材料颗粒的微结构、粒子尺寸、表面氧化状态等对涂层力学性能和沉积效率均有重要影响。作为一种新型表面增材修理技术，具有操作简便、安全无热辐射、工艺过程简单、准备时间短、喷涂效率高等特点；同时，喷涂基体表面温度低(～150℃)，可避免传统焊接、热喷涂等修理技术导致零部件变形、晶粒长大、涂层氧化等缺陷，是航空装备修复技术的理想选择。但冷喷涂也存在一定的局限性，在喷涂过程中粉末在强烈的撞击下会经历剧烈的塑性变形，相当于经历了复杂的加工硬化，导致涂层存在强度高但塑性差的特点，常伴随有脆性断裂倾向，严重制约其应用范围。因此，要求冷喷涂原材料粉末颗粒在保证强度的同时还必须具有一定的塑性。为克服上述缺陷，部分研究人员将冷喷涂后的涂层进行热处理以提高其韧性，虽然可以改善涂层的力学性能，但受限于航空零部件的特殊要求，即基体表面加热温度不能超过～150℃限制，极大地制约了后续热处理方法的应用。而且在传统冷喷涂过程中，使用的球形粉末原料一般均采用直接气雾化粉末，该粉末经非平衡快速凝固，粉末内部存在有大量枝晶，塑性较差。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术为调控合金粉末的塑性，提升粉末沉积效率，以及降低涂层孔隙等缺陷，通过采用粉末预热处理与冷喷涂气体加热特性相结合的方法，实现在冷喷过程中涂层动态再结晶，解决涂层强韧性相互制约的难题。本专利技术具体通过以下技术方案实现：一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法，包括以下步骤：1)采用气雾化法制备铝合金粉末；2)利用旋转热处理炉对铝合金粉末进行热处理；3)将热处理后的粉末进行冷喷涂成形，获得冷喷涂制件。进一步的，所述的铝合金为可热处理析出强化型7000、6000、2000系合金粉末，其典型代表分别为7075、6061、2024铝合金粉末，粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。优选的，所述的铝合金粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。冷喷涂过程中粉末颗粒和基材的碰撞结合主要取决于粒子的动能。在相同喷涂条件下，粒径小于等于3μm的粉末初始动能较大，但由于本身质量小，在喷涂过程中易受气流干扰，导致难以沉积在基板上。此外，小颗粒粉末比表面积较大，在高温气流下表面易氧化，进一步降低了沉积效率。另一方面，粉末粒度大于等于60μm的粉末由于质量大，初始动能低，与基板碰撞产生的塑性变形小，沉积率低。进一步的，步骤2)所述的热处理条件为：炉内抽真空5.0×10-2Pa～7×10-3Pa，升温至115～125℃保温1h，或升温至135～145℃保温1～12h，或升温至175～185℃保温1h，或升温至195～215℃保温1～12h，通入高纯氩气空冷至室温，热处理过程中保持炉管旋转。本专利技术采用的旋转热处理炉应有旋转炉管的功能，且能达到10-3级别的高真空度，能通入氩气保护炉内原料，并能水冷进行快速冷却。传统静置热处理方式对铝合金粉末进行预热处理，存在合金粉末易粘结成块的问题，本专利技术采用旋转式热处理炉对合金粉末进行动态热处理，在热处理过程中粉末将保持旋转运动状态，可有效解决这一难题。进一步的，步骤3)中冷喷涂工艺条件为：气体压力400～525psi，气体加热温度450～550℃，喷枪移动速率100mm/min，X、Y方向交替，送粉速率5～50g/min，单层厚度0.1～1.0mm，气源为He或N2。气体压力的设置主要与粉末粒径分布范围(D50)以及沉积率和涂层密度要求密切相关，在粉末粒径范围确定条件下，提升气体压力有利于获得更高的沉积率和涂层质量；反之则可获得疏松或多孔状态材料，实现梯度化功能材料设计。气体加热温度高低一是可降低粉末初始硬度，提升沉积率，二是加热气体，可改善气体在喷管中的流动速率，提升粒子的加速度。喷枪移动速率与送粉速率与粉末种类以及单层沉积厚度有关，而X、Y方向交替式喷涂有利于减少涂层的力学各向异性。本专利技术的有益效果为：本专利技术将热处理析出强化型铝合金粉末预先进行低温热处理以调控气雾化合金粉末中组织结构，改善了合金粉末的塑性变形能力，极大地提升粉末沉积效率，并降低涂层孔隙等缺陷；同时利用冷喷涂过程中气体加热特性及喷涂撞击热量，在冷喷过程中实现涂层的动态再结晶，极大地提升了涂层的综合力学性能，可有效解决直接冷喷涂成型涂层强度高但韧性不足的问题。经本专利技术热处理方法制备的7075铝合金粉末冷喷涂样品抗拉强度最多可提升48.6％，延伸率最多可提高114％；6061铝合金粉末冷喷涂样品抗拉强度最多可提升15.4％，延伸率最多可提高35％；2024铝合金粉末冷喷涂样品抗拉强度最多可提升16.3％，延伸率最多可提高23％。此外，采用真空旋转热处理炉对合金粉末进行热处理，避免了常规热处理方法中粉末因静置产生结块的现象，同时采用高纯氩气保护冷却的方法避免了粉末冷却过程中可能的氧化现象，保证了合金粉末的流动性及低氧含量，能有效避免因粉末流动性差造成的送粉不均给喷涂过程带来问题，同时还避免了因送粉不均导致的融合不良或未融合缺陷，从粉末原材料性能方面提高喷涂质量和喷涂效率。附图说明图1为本专利技术所采用7075铝合金粉末的扫描电镜(BSE)结构图，图中灰色部分为α-Al基体，白亮组织为枝晶偏析；图2为7075铝合金粉末在120℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；图3为7075铝合金粉末在140℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；图4为7075铝合金粉末在160℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；图5为7075铝合金粉末在180℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；图6为7075铝合金粉末在200℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；图7为各个温度保温1h的粉末制得的喷涂件的拉伸强度曲线图；图8为粉末经140℃热处理保温1h、4h、8h、12h的拉伸强度曲线图；图9为粉末经200℃热处理保温1h、4h、8h、12h的拉伸强度曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术具体的实施例，对本专利技术技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)采用气雾化法制备铝合金粉末；/n2)利用旋转热处理炉对铝合金粉末进行热处理；/n3)将热处理后的粉末进行冷喷涂成形，获得冷喷涂制件。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用气雾化法制备铝合金粉末；
2)利用旋转热处理炉对铝合金粉末进行热处理；
3)将热处理后的粉末进行冷喷涂成形，获得冷喷涂制件。


2.根据权利要求1所述的一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法，其特征在于，所述的铝合金为可热处理析出强化型7000、6000、2000系合金粉末，其典型代表分别为7075、6061、2024铝合金粉末。


3.根据权利要求1所述的一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法，其特征在于，所述的铝合金粉末为球形粉粉末，粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。


4.根据权利要求3所述的一种基于热处理铝合金粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘颖，王仁全，李军，连利仙，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51