一種高致密度冷噴涂金屬/金屬基沉積體的制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)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(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[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(shí)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(zhǎng)大等熱影響。同時(shí)，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(diǎn)使得冷噴涂金屬/金屬基涂層通常具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)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(fù)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(shù)進(jìn)行增材制造(3D打印)研宄開發(fā)也受到關(guān)注。這些特點(diǎn)使冷噴涂作為制備保護(hù)涂層的方法在機(jī)械、化工等領(lǐng)域，作為材料沉積的方法在工件修復(fù)、增材制造方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]大量研宄結(jié)果表明，冷噴涂沉積體的性能受自身顯微結(jié)構(gòu)，特別是粒子間結(jié)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(jié)合會(huì)嚴(yán)重影響電子、熱量及力的傳導(dǎo)，同時(shí)還可成為腐蝕介質(zhì)進(jìn)入沉積體內(nèi)部的快速通道。因此，粒子間結(jié)合狀態(tài)及沉積體的孔隙率高低對(duì)于沉積體的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、力學(xué)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(qiáng)沉積粒子間結(jié)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(yīng)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(jìn)而降低粒子沉積所需臨界速度同時(shí)產(chǎn)生更大的塑性變形。顯著提高粒子的速度通常要以價(jià)格昂貴的氦氣(約為隊(duì)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(shí)現(xiàn)，較高溫度氣流對(duì)暴露于空氣中已沉積涂層的加熱會(huì)導(dǎo)致易氧化金屬涂層表面出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響粒子間結(jié)合的質(zhì)量。另外，較高的粒子溫度，對(duì)于一些如Al、Mg、Zn等低熔點(diǎn)金屬、合金及部分的鎳基高溫合金會(huì)出現(xiàn)噴槍堵塞現(xiàn)象，嚴(yán)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(jié)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(shù)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(yīng)用，該方法無需顯著提高粒子速度和沉積溫度，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)該方法制備的沉積體組織致密，力學(xué)性能優(yōu)異。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)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(fù)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(fù)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(shí)，將噴丸顆粒和沉積材料粉末機(jī)械混合后的混合粉體送入噴槍中進(jìn)行噴涂；或者，將噴丸顆粒和沉積材料粉末通過單獨(dú)的送粉裝置分別送入噴槍中進(jìn)行噴涂。
[0014]冷噴涂工藝以氮?dú)饣驂嚎s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(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高耐腐蝕、高耐磨損涂層或高力學(xué)性能工件中的應(yīng)用。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)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(shí)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(shí)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(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，更高的耐腐蝕、耐磨損和更高的力學(xué)性能，因而可以廣泛應(yīng)用于制備高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高耐腐蝕、高耐磨損涂層或高力學(xué)性能工件。
【附圖說明】
[0020]圖1為實(shí)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(jié)構(gòu)。
[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(jié)構(gòu)。
[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(jié)構(gòu)。
[0025]圖5-1為機(jī)械合金化制備的納米結(jié)構(gòu)NiCrAl-Al203復(fù)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(qiáng)NiCrAl_Al203復(fù)合涂層的斷面結(jié)構(gòu)(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(qiáng)NiCrAl_Al203復(fù)合涂層的斷面結(jié)構(gòu)(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(fù)合沉積體的宏觀照片。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，需要說明的是，這些實(shí)施例是本發(fā)明較優(yōu)的粒子，用于本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)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(jià)格約為氮?dú)獾?0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(yīng)及高速撞擊時(shí)極高的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)粒子在沉積過程中的大應(yīng)變量塑性變形，從而使已有空隙有效填充，實(shí)現(xiàn)涂層的致密化。但高溫容易使金屬粒子發(fā)生氧化，對(duì)于納米結(jié)構(gòu)的粉末還可能引起納米結(jié)構(gòu)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(duì)沉積材料的撞擊實(shí)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(shí)引入噴丸顆粒而產(chǎn)生噴丸效應(yīng)，實(shí)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(fù)合沉積體，不需要進(jìn)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(shí)施例1
[0035]噴涂前對(duì)基體進(jìn)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(jī)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?dú)庾鳛榧铀贇怏w，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(shí)的涂層斷面結(jié)構(gòu)如圖2b所示，同樣條