镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料表面工程技术与机械制造领域，具体涉及一种镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法。
【背景技术】
[0002]镁合金作为金属结构材料，具有很多优异的性能:密度低(1.8g/cm3)，仅为铝的2/3，铁的1/4 ;比强度和比刚度大；减震性能好，能承受比铝合金大的冲击载荷，适合于做承受剧烈振动的零件；质软，易切削加工等。镁合金的这些优点使其在航空航天、汽车工业、电子通讯等领域得到了较多应用，拥有非常好的前景。但是作为结构材料，镁合金较差的抗蚀性能限制了其在多种环境下的使用。
[0003]目前，多采用表面改性层来改善镁合金的耐蚀性，如化学转化膜、阳极氧化处理、各种涂层和镀层、激光改性技术等。化学转化膜被广泛用做涂漆底层，但研究表明，化学转化膜只能减缓腐蚀速度，并不能有效防止腐蚀，且镀液中常含有重金属离子，制备过程对环境造成一定污染；阳极氧化法是近年来兴起的一种表面处理新技术，可得到耐磨损、具有一定耐腐蚀性能的涂层，但阳极氧化膜的脆性较大、多孔，难以得到均匀的氧化膜；镁合金的金属镀层一般采用电镀方法，但由于镁的电位极低，不容易直接沉积耐蚀金属，且镀液中通常含有氰化物，对环境存在较大的污染；利用热喷涂在镁合金表面沉积金属涂层，如热喷涂制备铝涂层，但在热喷涂过程中，镁合金表面会发生强烈的反应，使镁合金表面被氧化，生成了耐蚀性很差的氧化膜。近年来，激光改性技术得到了广泛的应用，但镁合金在激光处理时易发生氧化、蒸发和产生汽化、气孔以及热应力等问题。综上，现有改善镁合金耐蚀性的方法仍然存在较多的问题。
[0004]冷喷涂是一种通过固态条件下微米尺度粒子的高速撞击，通过粒子与基体界面或粒子与已沉积颗粒子界面处剧烈的塑性变形而沉积形成涂层的技术。较低的工艺温度(低于喷涂材料的熔点)可以避免喷涂过程中金属粒子的氧化及晶粒长大，同时也避免了对镁合金基体造成热影响，因此冷喷涂是在镁合金表面制备高性能耐腐蚀金属涂层的潜在有效方法。由于生产中不产生富含重金属离子的废液，因此相对于电化学方法，冷喷涂是一种相对环保的绿色涂层制备工艺。
[0005]涂层的致密性是除材料本身属性外影响整体构件耐腐蚀性能的最重要因素。冷喷涂涂层的致密性取决于冷喷涂粒子在碰撞沉积过程中塑性变形量的大小:塑性变形量越大，涂层的致密度越高，耐腐蚀性越好。目前阶段，提高冷喷涂粒子变形量的方法主要有两种:
[0006]1)提高粒子速度进而增加粒子碰撞时的动能；
[0007]2)提高粒子的温度使粒子发生显著的软化。
[0008]冷喷涂A1合金粒子因其密度低，动量与能量低，高速碰撞沉积时相互的致密化作用弱，涂层的致密性较低。通常，通过进一步大幅度提高粒子速度以提高涂层致密性。但显著提高粒子的速度通常需要以昂贵的氦气作为加速气体(约为氮气的50倍)，成本极高，限制了工业化量产。显著提高粒子的温度将会是这些低熔点的金属过渡软化，进而沉积在喷枪内壁，造成喷枪堵塞，喷涂过程可控性差，难以连续喷涂生产。
[0009]因此，如何低成本的实现镁合金表面铝基及锌铝基耐腐蚀涂层的显著提高是目前尚待解决重要技术问题。
【发明内容】
[0010]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，该方法操作简单，对设备要求低，经该方法制得的涂层具有优异的耐腐蚀性能。
[0011]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0012]一种镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，包括以下步骤:
[0013]1)将铝基或锌铝基金属粉末与硬质颗粒粉末混合，制得用于冷喷涂的混合粉末；
[0014]2)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的镁合金基体上喷涂混合粉末，在镁合金基体表面制得耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层。
[0015]所述铝基或锌铝基金属粉末的粒径为20?50 μπι。
[0016]所述硬质颗粒粉末的粒径为150?500 μ mD
[0017]所述硬质颗粒粉末占混合粉末总体积的20%?80%。
[0018]经过预处理的镁合金基是将镁合金基体进行丙酮超声清洗及喷砂表面粗化处理后制得。
[0019]喷涂时所采用的工作气体为氮气。
[0020]喷涂时，气体压力设定为0.8?4.0MPa ;气体温度为150?500°C。
[0021]所述硬质颗粒粉末为金属、合金或陶瓷颗粒。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0023]本发明公开的镁合金表面耐腐蚀铝基或锌铝基金属涂层的冷喷涂制备方法，以铝基或锌铝基金属粉末与硬质颗粒粉末的混合粉末作为喷涂用粉末，采用冷喷涂法在经过预处理的镁合金基体上制备涂层，喷涂的混合粉末中硬质大颗粒对已沉积铝基或锌铝基涂层(混合粉末中硬质颗粒由于粒径较大所以速度比较慢，不会沉积，所以沉积的只有所要喷涂的铝基及锌铝基颗粒。喷涂过程中同时发生着铝基及锌铝基颗粒的沉积和硬质颗粒的撞击和反弹，硬质颗粒只能撞击前面沉积的铝基及锌铝基涂层而不会对还在飞行的颗粒产生影响。)的撞击作用，使得涂层中已沉积的粒子牢固的冷焊在一起而封闭涂层中可能的孔隙，从而得到液态或气态的腐蚀介质不能从涂层表面穿透涂层达到涂层与基体界面处腐蚀基体镁合金。与常规冷喷涂方法制备的同种涂层相比，本发明方法的优势十分明显:
[0024]第一，采用此种方法制备铝基及锌铝基金属的涂层无贯通孔隙，可完全隔离腐蚀介质，因此表现出优异的耐腐蚀性能。
[0025]第二，硬质颗粒粉末对镁合金基体的撞击变形使涂层/基体界面处形成两种材料相互锁合的界面结构，大幅度提高了涂层与基体的结合强度，保证了使用过程中涂层的长期稳定性。
[0026]第三，镁合金表面的冷喷涂铝基、锌铝基涂层不仅不会降低基体的疲劳寿命，反而由于粒子撞击镁合金表面基体时所产生的残余压应力，能够有效提高基体的裂纹扩张阻力，显著提高基体的疲劳寿命。
[0027]第四，本发明无需采用昂贵的氦气作为加速气体。同时，加速气体的温度和压力均相对较低，因此，通过便携式冷喷涂设备即可实现，大幅度增加了施工的灵活性，同时涂层制造成本也相对较低。
[0028]本发明方法实现了镁合金表面致密铝基或锌铝基金属涂层的低成本制备。因此，在镁合金腐蚀防护领域具有广阔的应用前景。
[0029]进一步地，喷涂粉末中硬质颗粒粉末可以是金属、合金及陶瓷颗粒，只需硬度显著大于所喷涂的材料，因此撞击过程中发生的塑性变形主要集中于喷涂材料，进而使孔隙消失。硬质颗粒粉末具有较大的粒径(>150 μm)，使其碰撞速度较低，在喷涂条件下低于冷喷涂沉积的临界速度而在碰撞时几乎不沉积，可以避免由于硬质颗粒沉积造成的涂层材料的成分改变。
【附图说明】
[0030]图1为铝粉及硬质颗粒(316不锈钢颗粒)的形貌；(a)为铝粉；(b)为316不锈钢硬质颗粒；
[0031]图2为相同参数条件下，常规冷喷涂及本发明方法制备的1100A1涂层的断面结构；(a)为常