[發明專利]一種具有包覆復合結構的熱噴涂自粘結金屬合金粉末

有效

• 申請號: 201610192721.6
• 申請日: 2016-03-30
• 公開（公告）號: CN105642885B
• 公開（公告）日: 2018-10-30
• 發明（設計）人: 李長久;田佳佳;雒曉濤;李成新;楊冠軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F1/02
• 分類號: B22F1/02;B22F9/04;C23C4/08;C23C4/134;C23C16/16;C23C16/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王霞

本發明公開了一種具有包覆復合結構的熱噴涂自粘結金屬合金粉末，屬于材料加工技術領域。該金屬合金粉末是由包覆外層金屬與被包覆金屬顆粒構成的復合結構粉末，包覆外層金屬均勻包覆于被包覆金屬顆粒表面；包覆外層金屬的熔點大于被包覆金屬顆粒的熔點；包覆層與被包覆金屬顆粒之間通過冶金結合形成復合結構粉末。當采用該復合結構粉末制備的金屬合金涂層，涂層與基體間、涂層中粒子層界面之間由于發生冶金結合反應，使得界面結合牢固，從而大幅度提高涂層與基體的結合強度、涂層內粒子層間的內聚結合強度，保證了涂層的長期使用穩定性。采用該金屬合金粉末制備的金屬合金涂層具有優異的耐腐蝕性能。

技術領域

本發明屬于材料加工技術領域，涉及一種具有包覆復合結構的熱噴涂自粘結金屬合金粉末。

背景技術

等離子噴涂與粉末火焰噴涂是采用噴涂粉末為原料制備金屬合金涂層、提高金屬材料服役性能的重要方法。由于涂層是通過粉末送進機構將某種成分與結構的粉末送進等離子射流或燃燒火焰等熱源中，如等離子射流等熱源將粉末加熱至熔融或接近熔融的狀態，依次碰撞基體后堆積而形成，涂層與基體的結合強度大小影響并決定涂層可承受的載荷、從而影響涂層體系的完整性，當載荷較大時對于結合強度較低的涂層，服役加載可能引起涂層的整體脫落而使得涂層的性能無法發揮；同時，涂層內的粒子之間的界面結合狀態顯著影響著或甚至控制著涂層的各種性能。有研究表明，熱噴涂涂層的粒子層間結合率比較有限，如陶瓷涂層的粒子間的平均結合率最大僅為32％，而涂層的各種力學性能(如彈性模量、斷裂韌性、沖蝕磨損率)、電導率、熱導率等都受到涂層內粒子層之間的界面的有限結合的控制，從而表現為涂層的上述各種性能均為相應塊體性能的10％～30％。研究表明，熱噴涂金屬合金涂層的組織結構與性能也呈現同樣特征，既界面結合有限，涂層的性能受到界面結合的顯著影響。另一方面，未結合界面與其它類型的孔隙相互連通構成從涂層表面貫通至涂層/ 基體界面的貫通孔隙，使得涂層不能完全阻擋隔離腐蝕介質與基體合金的接觸，從而使耐磨損性能優越的材料制備的噴涂態涂層難以直接用作耐腐蝕涂層。

金屬合金涂層與基體的結合機制通常主要有三種：基于原子間吸附力的物理結合、提高粗糙表面鑲嵌等產生的機械結合、基于元素擴散或基體局部熔化的冶金反應而產生的冶金結合。三種結合機制中，冶金結合最強，物理結合與機械結合較弱，但通常涂層的結合主要機械與物理結合為主，因此，一般結合強度較低。針對涂層結合強度低的這一極其重要的問題，通常解決的基本途徑包括：首先通過基體表面的仔細控制制備，包括表面清洗等去除油污及去除表面氧化膜以提供清潔表面以確保噴涂粒子與基體金屬的可能直接接觸；然后通過噴砂等進行表面粗糙化以提供足夠的機械結合能力；通過優化噴涂參數以獲得高的粒子速度與溫度以增強物理與機械結合對結合強度的貢獻，如超音速火焰噴涂制備涂層，通過顯著提高粒子的速度可沉積表觀致密的高結合強度的硬質合金涂層，主要是依靠高速的半融化態粒子在撞擊基體時的變形受限而產生的局部嵌入效應提高結合效應。通過采取以上措施，通常可以保證一定的結合強度，但涂層與基體的結合主要依靠機械結合與物理結合為主，除超音速火焰噴涂外，當采用粉末以等離子噴涂制備的涂層的結合強度通常介于10～40MPa。

為了提高金屬涂層與金屬基體的結合強度，可通過選擇具有自粘結性能的粉末制備過渡粘結(打底)層，如高熔點Mo等，或如鋁包鎳粉末(又被稱為鎳包鋁，而實際為Al包覆在Ni粒子的外表面)，在制備合金工作涂層前，首先制備一層50～100μm厚的打底粘結層，然后再制備工作層。這是當熔融粒子的溫度顯著高于碰撞基體熔點的高溫熔融粒子碰撞在較低熔點基體表面(如難熔金屬Mo、Ta、W等熔滴碰撞在不銹鋼表面，或Ni等碰撞在Al合金與Mg合金表面)時，熔滴碰撞過程與基體的熱傳遞可引起基體的局部熔化而產生冶金結合。因此，這類碰撞可引起涂層/基體的冶金粘結效應，實際僅為第一層與基體直接接觸的粒子與基體之間具有冶金粘結效應。當采用傳統的Ni/Al復合粉末熱噴涂時，基于粒子熔化后發生形成金屬間化合物的放熱反應，可以一定程度提高粒子溫度，而認為具有一定的自粘結效應，但大量的實驗結果表明，自粘結效應很有限。