[發(fā)明專利]基于混合粉末的高致密度冷噴涂金屬沉積體的制備方法

有效

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• 申請日: 2015-11-05
• 公開（公告）號: CN105256306B
• 公開（公告）日: 2018-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雒曉濤;李玉娟;李長久
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: C23C24/04
• 分類號: C23C24/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 王霞

本發(fā)明公開了一種基于混合粉末的高致密度冷噴涂金屬沉積體的制備方法，屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域。包括以下步驟：1)將常規(guī)霧化金屬粉末與電離金屬粉末或羥基金屬粉末進(jìn)行機械混合，制得混合粉末；其中，常規(guī)霧化金屬粉末與電離金屬粉末或羥基金屬粉采用同種金屬成分；2)對基體表面或待噴涂工件表面進(jìn)行預(yù)處理，然后以混合粉末作為噴涂粉末，采用冷噴涂法沉積涂層或塊材。本發(fā)明方法既保留了電解/羥基金屬粉末沉積效率較高的特點，又解決了電解/羥基金屬粉末流動性較差及容易堵塞噴槍的缺點，借助常規(guī)霧化粉末撞擊導(dǎo)致的強烈夯實效應(yīng)使已沉積電解/羥基金屬粉末中的孔隙得以閉合，從而獲得完全致密的金屬沉積體。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于混合粉末的高致密度冷噴涂金屬沉積體的制備方法。

背景技術(shù)

冷噴涂(Cold Spraying,CS)是一種基于氣體動力學(xué)的材料技術(shù)。通過將微米尺度的顆粒送入噴槍中的高速氣流中，經(jīng)過加速，使其在完全固態(tài)下高速撞擊基體(300-1200m/s)，由顆粒/基體界面處劇烈的塑性變形而實現(xiàn)材料沉積。較低的沉積溫度使得在沉積金屬顆粒等對氧敏感的材料時，可最大程度的避免顆粒在加速過程中的氧化，使制備純凈無氧化的金屬、合金涂層成為可能，尤其適用對溫度敏感，易氧化，易相變的材料。優(yōu)化工藝參數(shù)條件下，通過冷噴涂可以獲得高致密的沉積體(孔隙率<1％)。這一特點使得冷噴涂金屬涂層在導(dǎo)熱、導(dǎo)電、防腐等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。另外，與常規(guī)熱噴涂材料中形成的殘余拉應(yīng)力不同，冷噴涂顆粒高速碰撞過程中噴丸效應(yīng)產(chǎn)生的壓應(yīng)力使涂層制備過程中厚度方向上不受限制。因此，冷噴涂也是增材制造(3D打印)的有效方法之一。

對于特定的噴涂材料，冷噴涂沉積存在一個臨界速度，只有當(dāng)粒子的速度高于臨界速度時，粒子才能產(chǎn)生有效沉積，否則對基材產(chǎn)生沖蝕效應(yīng)。對于特定材料，臨界速度主要取決于粉末的力學(xué)屬性，粉末越軟(屈服強度越低)，臨界速度越低，粉末越容易沉積。沉積效率是指沉積的粉末占撞擊到基材表面粉末的比例。沉積效率越高粉末利用率越高。因此，提高沉積效率主要通過兩種方式實現(xiàn)：提高粉末的速度和/或降低臨界速度。提高粉末的速度需要提高加速氣體的壓力和溫度或者以氦氣替代常規(guī)的氮氣、壓縮空氣作為加速氣體。通過預(yù)熱粉末，提高粉末的溫度可以使金屬粉末發(fā)生顯著的軟化效應(yīng)，因此可以顯著降低臨界速度。這兩種途徑也是目前普遍采用用于提高沉積效率的方法。但是顯著提高加速氣體的壓力和溫度提高了氣體的用量、加速了設(shè)備的老化、氦氣的成本昂貴(約為氮氣40倍)；粉末預(yù)熱容易使粉末在噴槍內(nèi)壁沉積，堵塞噴槍。對于一些便攜式的低壓冷噴涂設(shè)備完全達(dá)不到上述要求。因此，如何低成本的實現(xiàn)金屬粉末沉積效率的提高是進(jìn)一步推動冷噴涂技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。

電解或羥基金屬粉末具有不規(guī)則的外形及內(nèi)部多孔的特征，不規(guī)則的外形使其在氣流加速過程獲得比常規(guī)球形粉末更大的拖曳力，從而獲得更高的速度；內(nèi)部多孔的特征使其硬度顯著低于實心粉末，因此導(dǎo)致了臨界速度的顯著降低。在相同工藝參數(shù)條件下，以上兩個因素使電解或羥基金屬粉末具有顯著高于常規(guī)霧化粉末的沉積效率。但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，初始電解或羥基金屬粉末內(nèi)部的孔隙會在沉積后保留下來，導(dǎo)致沉積體中存在大量的孔隙，嚴(yán)重影響了沉積體的導(dǎo)熱、導(dǎo)電及耐腐蝕性能。另一方面，不規(guī)則的外形使電解或羥基金屬粉末流動性較差，嚴(yán)重影響粉末輸送的均勻性，造成沉積體表面狀況較差，同時還會引起噴槍堵塞。

因此，在保證電解或羥基金屬粉末高沉積效率這一優(yōu)勢的同時，如何低成本的實現(xiàn)粉末流動性及涂層致密度的顯著提高率是目前尚待解決重要技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對常規(guī)霧化金屬粉末難以通過冷噴涂技術(shù)同時獲得高致密度沉積體和高沉積效率的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于混合粉末的高致密度冷噴涂金屬沉積體的制備方法，該方法兼具沉積效率高和沉積體致密度高的優(yōu)點，且成本低廉，適合放大生產(chǎn)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明公開了一種基于混合粉末的高致密度冷噴涂金屬沉積體的制備方法，包括以下步驟：