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含量高涂层的制备方法

阅读:95发布:2022-08-11

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1.一种低含量高涂层的制备方法,它是采用低温超音速喷涂技术在铜合金基体表面喷涂高铝青铜粉末制备高铝青铜涂层;其特征在于:喷涂采用的喷枪燃烧室直径为6~10cm,喷枪的枪管长度为20~25cm,枪管长度与燃烧室直径之比为2.0~3.5;制得的高铝青铜涂层的氧含量≤0.8wt%。
2.根据权利要求1所述的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法,其特征在于:喷枪的注粉器长度为4~8cm,燃烧室直径与注粉器长度之比为1~2。
3.根据权利要求1或2所述的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法,其特征在于喷涂工艺参数为:空气压为90~98PSI,丙烷压力为78~82PSI,氢气流量为40~44L/min,氮气流量为38~42L/min,喷涂距离为120~160mm。
4.根据权利要求1或2所述的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法,其特征在于:喷枪移动速度为900mm/s~1100mm/s,横向往复喷涂一遍后再使喷枪相对于铜合金基体纵向移动
1.5mm~2.0mm,直至涂覆整个铜合金表面,并根据所需涂层厚度重复整个铜合金基体喷涂5~15遍。
5.根据权利要求1或2所述的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法,其特征在于:喷涂过程中控制铜合金基体温度≤150℃;具体方法如下:用数字式表面温度计进行实时测量铜合金基体的温度,当测量到铜合金基体的温度达到150±2℃时,立即停止喷涂并进行空冷,待铜合金基体的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。
6.根据权利要求3所述的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法,其特征在于:喷枪移动速度为900mm/s~1100mm/s,横向往复喷涂一遍后再使喷枪相对于铜合金基体纵向移动1.5mm~2.0mm,直至涂覆整个铜合金表面,并根据所需涂层厚度重复整个铜合金基体喷涂5~15遍。
7.根据权利要求3所述的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法,其特征在于:喷涂过程中控制铜合金基体温度≤150℃;具体方法如下:用数字式表面温度计进行实时测量铜合金基体的温度,当测量到铜合金基体的温度达到150±2℃时,立即停止喷涂并进行空冷,待铜合金基体的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。
8.根据权利要求4所述的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法,其特征在于:喷涂过程中控制铜合金基体温度≤150℃;具体方法如下:用数字式表面温度计进行实时测量铜合金基体的温度,当测量到铜合金基体的温度达到150±2℃时,立即停止喷涂并进行空冷,待铜合金基体的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。

说明书全文

含量高涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于超音速喷涂技术领域,具体涉及一种低氧含量高铝青铜涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 由于铜合金具有卓越的导电性、良好的减磨性、突出的延展性和密封性以及优良的韧性,广泛用于制造轴套、、管件等导电、耐磨和密封等部件。但是,在实际应用中,由于铜合金硬度较低、耐蚀性能较差,在海洋服役环境下一些铜合金件如艉轴轴承衬套、叶轮等会产生磨损腐蚀点蚀、局部腐蚀等表面损伤,严重影响了铜合金在舰船上的应用。
[0003] 为解决上述问题,采用喷涂技术在铜合金表面制备性能优异的耐蚀耐磨涂层是一种有效途径。在喷涂材料选择上,高铝青铜由于具有强度高、耐蚀耐磨性能优异、耐疲劳性能好等优良特性,是解决铜合金表面损伤的理想防护材料。而在喷涂技术选择上,目前制备铜合金涂层的方法主要有超音速电弧喷涂、超音速等离子喷涂、超音速火焰喷涂等高温喷涂技术,所制备的涂层具有优异的耐磨耐蚀性能,但由于喷涂温度过高,不适合喷涂相变敏感的高铝青铜合金粉末。
[0004] 针对喷涂温度过高的问题,中国专利文献CN104962776A公开了一种低温超音速喷涂技术,采用燃烧温度低的丙烷与压缩空气为燃气,可使喷枪中的焰流温度稳定控制在600~900℃范围内,温度明显低于超音速电弧喷涂(10000℃以上)和超音速等离子喷涂(25000℃以上),同时也低于超音速氧气火焰(HVOF)喷涂(3000~4000℃)和超音速空气火焰(HVAF)喷涂(1000~1900℃),使喷涂颗粒的温度始终低于高铝青铜材料的相变温度(565℃),减少了气雾化高铝青铜粉末的相变,使气雾化高铝青铜粉末优良特性原态移植入涂层,从而保证修复涂层优异的耐蚀耐磨性能。
[0005] 但是该文献存在氧化程度较高的问题,尤其是当丙烷压力超过78PSI后,涂层氧含量将超过1wt%,较高的氧含量则会导致以下问题:一方面,高铝青铜粉末中的铝元素等会率先与氧元素结合形成氧化物,这些氧化物的化学性质与周围成分不相容,会造成涂层抗腐蚀性能严重下降,而且容易造成成分的偏聚导致应力集中,从而形成裂纹;另一方面,Al2O3等氧化物的熔点高、润湿性差,还会导致涂层的结合强度、致密度下降,从而容易造成涂层剥落等问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于解决上述问题,提供一种氧含量≤0.8wt%的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法。
[0007] 申请人经过大量实验发现:喷枪结构对高铝青铜涂层氧含量的影响很大,尤其是喷枪中的燃烧室直径、枪管长度以及注粉器长度。
[0008] 具体来讲,包括中国专利文献CN104962776A在内的现有技术中的喷枪的枪管长度与燃烧室直径之比在4以上,也即采用较小直径的燃烧室匹配较长的枪管。现有技术这种设计是考虑到小直径的燃烧室加热功率较低,从而导致喷枪焰流的温度降低,这样能够减少喷涂颗粒氧化的程度;而且较长的枪管可以增大焰流的速度,从而缩短颗粒在空气中的飞行时间,这样也能够达到较少氧化的目的。
[0009] 然而申请人经过大量试验发现:小直径的燃烧室配合大长度的枪管时,由于加热功率的不足,会导致喷涂颗粒在高速飞行过程中分散现象非常严重,具体来说是喷涂颗粒在焰流边缘处飞行速度远远低于在焰流轴线处,这样焰流边缘处的温度则远远高于焰流轴线处的温度,因而更容易引起氧化。
[0010] 实现本发明上述目的的技术方案是:一种低氧含量高铝青铜涂层的制备方法,它是采用低温超音速喷涂技术在铜合金基体表面喷涂高铝青铜粉末制备高铝青铜涂层;喷涂采用的喷枪的燃烧室直径为6~10cm,喷枪的枪管长度为20~25cm,枪管长度与燃烧室直径之比为2.0~3.5;制得的高铝青铜涂层的氧含量≤0.8wt%。
[0011] 当枪管长度与燃烧室直径之比小于2(如枪管长度<20cm、燃烧室直径>10cm)时,喷涂颗粒容易过度升温从而产生有害相变,氧含量明显提高,而且还会出现堵塞枪管的现象。
[0012] 注粉器长度同样很关键,不同的注粉器长度决定了粉末注入燃烧室的位置,从而确保粉末颗粒注入焰流的最大压力处,缩短加热温升时间,从而实现喷涂粉末低温高速的特点。因此,本发明的喷枪的注粉器长度为4~8cm,燃烧室直径与注粉器长度之比为1~2。
[0013] 本发明的低温超音速喷涂技术是以丙烷为主燃气、压缩空气为助燃气、氢气为还原气体、氮气为送粉载气;涂层工艺参数为:空气压力为90~98PSI,丙烷压力为78~82PSI,氢气流量为40~44L/min,氮气流量为38~42L/min,喷涂距离为120~160mm。
[0014] 喷枪(相对于铜合金基体横向)移动速度为900mm/s~1100mm/s,横向往复喷涂一遍后再使喷枪相对于铜合金基体纵向移动1.5mm~2.0mm,直至涂覆整个铜合金表面,并根据所需涂层厚度重复整个铜合金基体喷涂5~15遍。
[0015] 本发明采用的高铝青铜粉末为气雾化高铝青铜粉末,其粒径为15μm~45μm,使用前先在120℃烘箱中烘干3h。该气雾化高铝青铜粉末在制备过程中的冷却速率最高可达106K/s,可抑制γ2相的生成。该气雾化高铝青铜粉末的化学成分如下:Al:13.30wt%、Fe:
4.93wt%、Mn:1.62wt%、Zn:0.33wt%、Ni:0.31wt%、Co:5.49wt%、Cu余量。
[0016] 本发明的低温超音速喷涂技术在喷涂过程中需要使用高压空气喷管(通过多方向管)对铜合金基体背面进行空冷,保证铜合金基体温度≤150℃,具体控制方法如下:用数字式表面温度计(AR892实时非接触红外测温仪)进行实时测量铜合金基体的温度,当测量到铜合金基体的温度达到150±2℃时,立即停止喷涂并进行空冷,待铜合金基体的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。
[0017] 本发明具有的积极效果:(1)本发明的方法在喷枪结构设计上,采用分体化设计思想,对燃料室直径、枪管长度以及注粉器长度进行了优化组合,实现喷涂颗粒温度、速度的相对独立调控,也即燃料在燃烧室中燃烧与在枪管中加速相互独立,从而使燃料不充分燃烧,使粉末颗粒注入焰流的最大压力处,缩短加热温升时间,最终制备得到氧含量低于0.8wt%的高铝青铜涂层。(2)本发明的方法不会造成涂层耐腐蚀性能的下降,也不会形成裂纹,而且还能保持较高的结合强度和致密度,不容易造成涂层剥落等问题。制备的高铝青铜涂层结合强度在40Mpa以上,平均显微硬度在280HV以上,平均沉积效率在80%以上,而且还具有优良的耐腐蚀性能。
附图说明
[0018] 图1为本发明采用的喷枪主要部件的三维结构图。
[0019] 图2为各实施例所制备的高铝青铜涂层的结合强度测试结果示意图。
[0020] 图3为各实施例所制备的高铝青铜涂层的显微硬度测试结果示意图。
[0021] 图4为各实施例所制备的高铝青铜涂层以及气雾化高铝青铜粉末的XRD图谱结果示意图。
[0022] 图5-1~图5-4分别为实施例1~实施例4所制备的高铝青铜涂层的截面SEM图。
[0023] 图6为各实施例所制备的高铝青铜涂层的氧含量测试结果示意图。
[0024] 图7为各实施例所制备的高铝青铜涂层的孔隙率测试结果示意图。
[0025] 图8-1~图8-4分别为实施例1~实施例4所制备的高铝青铜涂层的盐雾腐蚀试验结果示意图。

具体实施方式

[0026] (实施例1)
[0027] 本实施例的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法具有以下步骤:
[0028] ①采用粒径为15μm~45μm的气雾化高铝青铜粉末作为喷涂粉末,并先置于120℃烘箱中烘干3h,待用。
[0029] 本实施例采用的气雾化高铝青铜粉末的化学成分为如下:Al:13.30wt%、Fe:4.93wt%、Mn:1.62wt%、Zn:0.33wt%、Ni:0.31wt%、Co:5.49wt%、Cu余量。
[0030] ②对铜合金基体表面进行除油、除锈以及喷砂粗化预处理,并用丙清洗基体表面。
[0031] 本实施例采用的铜合金基体材料为H62黄铜
[0032] 喷砂粗化工艺为:砂料为棕刚玉,粒度为1mm,压缩空气压力为0.7PSI,喷砂度为90°,距离为100mm。
[0033] ③采用低温超音速喷涂技术在铜合金基体表面喷涂步骤①的气雾化高铝青铜粉末制备高铝青铜涂层,喷涂工艺参数为:空气压力为90~94PSI,丙烷压力为78~80PSI,氢气流量为40~44L/min,氮气流量为38~42L/min,喷涂距离为140mm。
[0034] 具体过程如下:将预处理后的铜合金基体安装在固定支架上,由机器人控制喷枪相对于铜合金基体横向移动速度为1000mm/s,横向往复喷涂一遍后再控制喷枪纵向移动2.0mm,继续进行横向喷涂,整个铜合金基体全部喷涂完1遍后再重复喷涂4遍。
[0035] 喷枪的燃烧室直径选择为6cm,枪管长度选择为20cm,注粉器长度选择为4cm。
[0036] 喷涂前对铜合金基体进行干燥和预热处理,保持铜合金基体最高温度在80~120℃范围内。
[0037] 在喷涂过程中,使用高压空气喷管对铜合金基体背面进行空冷,保证铜合金基体温度≤150℃,具体控制方法如下:用数字式表面温度计(AR892实时非接触红外测温仪)进行实时测量铜合金基体的温度,当测量到铜合金基体的温度达到150±2℃时,立即停止喷涂并进行空冷,待铜合金基体的温度自然冷却至100±5℃时再继续喷涂。
[0038] 本实施例所制备的高铝青铜涂层编号为A。
[0039] (试验例1)
[0040] 对涂层A进行结合强度测试:依照GB/T8642-2002标准所述进行,粘接剂选用上海市合成树脂研究所所制E-7型高温结构胶,胶体配比依照说明书提供,并经100℃固化3h后进行结合强度测试,结果为45.7MPa。
[0041] (试验例2)
[0042] 对涂层A进行显微硬度测试:采用HXD-1000型显微硬度计,载荷100g,加载时间15s,分别在涂层A的表面和截面测量5个点的显微硬度值并取平均值,结果为281HV。
[0043] (试验例3)
[0044] 对气雾化高铝青铜粉末以及涂层A进行X射线衍射实验。
[0045] 采用D8A 衍射仪,测试条件为:Cu-kα靶,光管电压40kV,电流30mA,扫描模式为连续扫描,扫描步长0.02°,时间步长0.6s,XRD图谱结果见图4,其中,曲线e代表气雾化高铝青铜粉末,曲线a代表涂层A。
[0046] 由图4可以看出:涂层A与气雾化高铝青铜粉末的物相无明显变化,未观测到明显的氧化物峰,涂层很好的保持了气雾化高铝青铜粉末优良特性。
[0047] (试验例4)
[0048] 对涂层A进行氧化程度和孔隙率测试。
[0049] 采用Quanta 200型环境扫描电子显微镜对涂层A的截面进行观察,结果见图5-1,并利用附带的能谱仪对涂层A微区化学元素进行分析,测得涂层A的氧含量为0.61%。
[0050] 同时,采用Image J图像处理软件对涂层A的截面SEM图进行孔隙率测定,结果为0.34%。
[0051] (试验例5)
[0052] 对涂层A进行沉积效率测试(称重法):喷涂前测得铜合金基体重量为500g,称量100g粉末进行喷涂试验,待粉末完全喷涂完毕后,称量铜合金基体和涂层的整体重量,重复测量5次分别为582.3g、583.2g、582.8g、581.9g、582.1g,由此可以计算出沉积效率分别为
82.3%、83.2%、82.8%、81.9%、82.1%,均超过80%,平均沉积效率为82.5%。
[0053] (试验例6)
[0054] 对涂层A进行耐腐蚀测试:采用上海迈捷实验设备公司YMX/Q-150烟雾腐蚀实验箱进行测试,腐蚀环境采用ISO0376-81976规范,采用5%NaCl溶液连续喷雾,实验箱温度恒定保持35±1℃,实验箱中pH值保持在7.5左右,1000小时后观察试验形貌,如图8-1所示,涂层A表面仅出现了局部轻微的均匀腐蚀。
[0055] (实施例2~实施例4)
[0056] 各实施例的低氧含量高铝青铜涂层的制备方法与实施例1基本相同,不同之处在于燃烧室直径、枪管长度、注粉器长度、空气压力以及丙烷压力,具体见表1。
[0057] 按照试验例1~试验例6的方法对实施例2~实施例4制备的涂层进行相关性能测试,结果分别见图2~图4、图5-1~图5-4、图6、图7、图8-1~图8-4以及表1。
[0058] 表1
[0059]  实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
涂层编号 A B C D
燃烧室直径 6cm 8cm 10cm 10cm
枪管长度 20cm 22cm 20cm 25cm
注粉器长度 4cm 6cm 8cm 8cm
空气压力 90~94PSI 92~96PSI 94~98PSI 94~98PSI
丙烷压力 78~80PSI 78~80PSI 78~80PSI 80~82PSI
结合强度 45.7MPa 47.6MPa 41.3MPa 43.6MPa
平均显微硬度 281HV 302HV 285HV 314HV
氧含量 0.61% 0.74% 0.68% 0.79%
孔隙率 0.34% 0.31% 0.59% 0.62%
平均沉积效率 82.5% 82.3% 82.6% 82.6%
盐雾腐蚀表面形貌 局部轻微的均匀腐蚀 局部轻微的均匀腐蚀 局部轻微的均匀腐蚀 局部轻微的均匀腐蚀[0060] (对比例1~对比例4)
[0061] 各对比例的高铝青铜涂层的制备方法与实施例1基本相同,不同之处在于燃烧室直径、枪管长度以及注粉器长度,具体见表2。
[0062] 对对比例1~对比例4制备的涂层进行氧含量的测试,结果见表2。
[0063] 表2
[0064]  实施例1 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
燃烧室直径 6cm 6cm 12cm 5cm 6cm
枪管长度 20cm 25cm 18cm 20cm 15cm
注粉器长度 4cm 8cm 8cm 4cm 8cm
氧含量 0.61% 0.92% 1.24% 0.98% 1.09%
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