一種鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層的制備方法
1.本發明涉及一種鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層的制備方法，屬于金屬表面增材制造技術領域。
背景技術：
2.在我國，已將鎂合金的應用列入重點發展研究課題，在軍工、航空航天開始得到重要應用。在航空航天工業上，除少數型號外，幾乎所有在制和新研制的飛機（殲滅機、轟炸機、直升機、運輸機、民用飛機等）發動機、機載雷達、地空導彈、運載火箭、人造衛星、飛船上均選用了鎂合金構件。同時，如戰術導彈、輕型車輛等武器裝備對減輕重量都提出了迫切的要求。
3.然而，鎂合金材料現有使用狀況遠沒有充分發揮其潛在優勢，在實際工業應用方面的發展遠不及鋁合金和鋼鐵。當鎂合金零部件受損傷破壞時，應進行再制造修復以提高其耐磨防護能力。鎂合金材料作為結構部件，有時會受到動態載荷的作用，使其在短時間產生極大的變形，這就要求材料的表面涂層具有優良的動態力學性能。當運動部件，如活塞、閥門或其他滑動部件采用鎂合金時，可以降低摩擦力，節約能源。由于鎂合金的耐磨性較弱，如何通過表面技術解決鎂合金表面耐磨問題是提高鎂合金使用壽命、拓寬鎂合金應用范圍的關鍵之一。
4.目前提高鎂合金表面耐磨性能的方法主要有等離子體微弧陽極氧化、電鍍、化學鍍、氣相沉積、激光改性、熱噴涂等。近年來，冷噴涂逐漸被人們接受，其具有在噴涂過程中低于給料熔點的工作溫度，涂層氧化率低，不存在相變、晶粒長大、化學成分變化等缺陷。由于冷噴涂過程中給料極高的動能及沉積中的夯實作用，涂層孔隙率極低，電導率相較于涂層塊狀材料而言變化極小，殘余應力小等優點，有望在鎂合金表面獲得界面結合好、表面質量高、耐磨性強的復合涂層。
5.因此，開展鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層的界面研究，將對保證軍事裝備運行的可靠性，提高關鍵零部件的輕量化指標，滿足增材制造耐磨需要，推動我國軍事裝備發展產生重要的影響。
6.目前有關鎂合金的增材制造專利主要集中解決鎂合金的腐蝕問題，cn105256307a公開了一種鎂合金表面耐腐蝕鋁基或鋅鋁基金屬涂層的冷噴涂制備方法，將鋁基或鋅鋁基金屬粉末與硬質金屬粉末混合，制得用于冷噴涂的混合粉末；采用冷噴涂工藝，在經過預處理的鎂合金基體上噴涂混合粉末，在鎂合金基體表面制得耐腐蝕鋁基或鋅鋁基金屬涂層。該發明雖然提高了鎂合金基體的耐腐蝕性能，但并未涉及磨損性能的評價。
7.cn105543835a公開了一種冷噴涂鋁基耐蝕涂層的制備方法，所述涂層包括al和al2o3以及m，所述m為鋁稀土合金和/或鋁鎂合金；所述al和al2o3中，al2o3體積比x為10%-35%；m為鋁鎂合金時，mg元素在涂層中的質量總占比為0.15%-2.5%；m為鋁稀土合金時，re元素在涂層中的質量總占比為0.02%-0.58%；m為兩者的混合物時，re元素和mg元素的質量之比和在涂層中的總占比為0.02%-2.80%。該發明值得的涂層具有優異的耐腐蝕性能，克服了
鋁涂層自身存在強度和硬度較低的缺陷，但并沒有考慮涂層與界面的結合力。
技術實現要素：
8.本發明的目的是提供一種鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層的制備方法，以解決現有技術中涂層和界面結合力差，涂層容易脫落，造成耐磨性較差的問題。
9.本發明是通過如下技術方案實現的：一種鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：步驟1，將al和al2o3的混合粉末冷噴涂沉積在鎂合金表面形成復合涂層；其中，al2o3的體積比為：15%～45%，al的體積比為：85%～55%；冷噴涂的工藝參數如下：噴距25～40mm，載氣壓力1.0～2.2mpa，載氣溫度220～240℃，送粉電壓25～30mv；步驟2，將復合涂層進行低溫退火處理，形成連續鎂鋁金屬間化合物冶金擴散層，即得復合耐磨涂層；其中，低溫退火溫度：250～350℃；低溫退火時間為8h～24h；所述低溫退火處理在無氧環境下進行。
10.進一步的：步驟1中，al顆粒為球形或類球形粉末，al2o3顆粒為板條狀或球形，al和al2o3顆粒的平均粒徑均為25～50μm。
11.本發明的優點是：本發明制備的鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層，冷噴涂和熱處理工藝簡單。本發明制備的鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層，具有優異的耐磨性和界面結合強度，克服了鋁基復合材料存在易脫落，耐磨性差的缺陷，本發明可為輕質合金耐磨涂層的設計和制備提供研究基礎，可以為輕量化裝備的長期安全服役提供一種可靠的耐磨技術。
具體實施方式
12.本發明公開了一種鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：步驟1，將al和al2o3的混合粉末冷噴涂沉積在鎂合金表面形成復合涂層；其中，al2o3的體積比為：15%～45%，al的體積比為：85%～55%；冷噴涂的工藝參數如下：噴距25～40mm，載氣壓力1.0～2.2mpa，載氣溫度220～240℃，送粉電壓25～30mv；步驟2，將復合涂層進行低溫退火處理，處理后，可形成連續鎂鋁金屬間化合物冶金擴散層，從而制備得復合耐磨涂層；其中，低溫退火溫度：250～350℃；低溫退火時間為8h～24h；所述低溫退火處理在無氧環境下進行。
13.優選的：步驟1中，al顆粒為球形或類球形粉末，al2o3顆粒為板條狀或球形，al和al2o3顆粒的平均粒徑均為25～50μm。
14.優選的：所述復合耐磨涂層厚度為1mm。
15.優選的：在冷噴涂前，對鎂合金基體表面進行預處理，具體可采用丙酮超聲清洗及噴砂表面粗化處理等方式進行。
16.優選的：噴涂時的工作氣體為氮氣。
17.優選的：所述混合粉末是將al和al2o3的粉末在高速混合機混合制備而成，混合時
間8h。
18.下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
19.對比例1將平均粒徑為25μm左右、體積百分數為15%的al2o3與85%的al（即鋁粉），在高速混合機中混合，混合時間為8h。采用冷噴涂方法將al和al2o3的混合粉末噴涂在鎂合金表面，冷噴涂過程中，噴距為25mm，載氣壓力為1.6mpa，載氣溫度為23℃，送粉電壓為28mv，涂層的厚度為1mm。
20.對所制備的涂層進行測試。在干摩擦條件下測試鎂合金鋁基復合涂層的耐磨性，采用往復摩擦試驗機，載荷為5n，往復行程為20mm，頻率為1hz，磨損時間為1h。使用e7粘接劑將噴有涂層的試樣上下表面粘接于鋼質拉伸夾具上，在軸向拉伸試驗機上進行鋁基復合耐磨涂層的涂層結合強度測試，其試驗結果見表1。
21.對比例2將對比例1中的體積分數改為30%的al2o3粉末與70%的al；其他制備工藝參數不變，得到鎂合金鋁基復合涂層。測試方法如對比例1，結果見表1。
22.對比例3將對比例1中的體積分數改為45%的al2o3粉末與55%的al；其他制備工藝參數不變，得到鎂合金鋁基復合涂層。測試方法如對比例1，結果見表1。
23.實施例1將平均粒徑為25μm左右、體積百分數為45%的al2o3粉末與55%的al，在高速混合機中混合，混合時間為8h。采用冷噴涂方法將al和al2o3的混合粉末噴涂在預處理后的鎂合金表面，冷噴涂過程中，噴距為25mm，載氣壓力為1.6mpa，載氣溫度為230℃，送粉電壓為28mv，涂層的厚度為1mm。
24.將鎂合金鋁基復合涂層在330℃無氧環境下退火8h，制得最終復合涂層。
25.對所制備的涂層進行測試。在干摩擦條件下測試鎂合金鋁基復合涂層的耐磨性，采用往復摩擦試驗機，載荷為5n，往復行程為20mm，頻率為1hz，磨損時間為1h。使用e7粘接劑將噴有涂層的試樣上下表面粘接于鋼質拉伸夾具上，在軸向拉伸試驗機上進行鋁基復合耐磨涂層的涂層結合強度測試，其試驗結果見表1。
26.實施例2按實施例1的條件制備復合涂層。將鎂合金鋁基復合涂層在330℃無氧環境下退火16h。測試方法如實施例1，結果見表1。
27.實施例3按實施例1的條件制備復合涂層。將鎂合金鋁基復合涂層在330℃無氧環境下退火24h。測試方法如實施例1，結果見表1。
28.表1 測試結果
由表1所示，實施例3中，45%的al2o3體積含量的鋁基復合涂層，在330℃、24h退火處理后取得了良好的減摩耐磨性。本發明所述的鋁基復合涂層，通過調整al2o3的特定比例，并且增設特定條件下的退火處理，從而使鋁基復合涂層獲得了較好的耐磨減摩效果。本方案中，al2o3的比例設定，使體系中al2o3硬質顆粒的含量更為合理，相較現有涂層的強度和硬度升高，孔隙率降低，從而使鋁基復合涂層的耐磨性增強。通過在無氧環境下的退火處理，使純鋁粉末發生軟化，進一步填充冷噴涂產生的涂層孔隙，不僅減少了腐蝕介質浸入的可能，提高了防腐性能，并且使鋁粉與al2o3之間的結合增強，釋放了內部應力，提高了涂層內部的韌性。同時退火處理還使得鎂基體與鋁粉之間界面處發生擴散等，形成金屬間化合物。長時間的退火使得擴散層增厚和均化，大大提高了界面結合能力，即提高了涂層與基體之間的結合力，鎂合金的使用壽命大幅度延長。
技術特征：
1.一種鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層的制備方法，其特征在于：所述制備方法包括以下步驟：步驟1，將al和al2o3的混合粉末冷噴涂沉積在鎂合金表面形成復合涂層；其中，al2o3的體積比為：15%～45%，al的體積比為：85%～55%；冷噴涂的工藝參數如下：噴距25mm，載氣壓力1.6mpa，載氣溫度220～240℃，送粉電壓25～30mv；步驟2，將復合涂層進行低溫退火處理，形成連續鎂鋁金屬間化合物冶金擴散層，即得復合耐磨涂層；其中，低溫退火溫度：250～350℃；低溫退火時間為8h～24h；所述低溫退火處理在無氧環境下進行。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述制備方法包括以下步驟：步驟1，將al和al2o3的混合粉末冷噴涂沉積在鎂合金表面形成復合涂層；其中，al2o3的體積比為45%，al的體積比為55%；冷噴涂的工藝參數如下：噴距25mm，載氣壓力1.6mpa，載氣溫度230℃，送粉電壓28mv；步驟2，將復合涂層進行低溫退火處理，形成連續鎂鋁金屬間化合物冶金擴散層，即得復合耐磨涂層；其中，低溫退火溫度：330℃；低溫退火時間為24h；所述低溫退火處理在無氧環境下進行。3.根據權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于：步驟1中，al顆粒為球形或類球形粉末，al2o3顆粒為板條狀或球形，al和al2o3顆粒的平均粒徑均為25～50μm。4.根據權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于：所述復合耐磨涂層厚度為1mm。
技術總結
本發明公開了一種鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層的制備方法，包括：步驟1，將Al和Al2O3的混合粉末冷噴涂沉積在鎂合金表面形成復合涂層；其中，Al2O3的體積比為：15%～45%，Al的體積比為：85%～55%；冷噴涂：噴距25～40mm，載氣壓力1.0～2.2MPa，載氣溫度220～240℃，送粉電壓25～30mV；步驟2，將復合涂層進行無氧低溫退火處理，形成連續鎂鋁金屬間化合物冶金擴散層；其中，低溫退火溫度：250～350℃；低溫退火時間為8h～24h。本發明制備的鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層，冷噴涂和熱處理工藝簡單。本發明制備的鎂合金表面冷噴涂鋁基復合耐磨涂層，具有優異的耐磨性和界面結合強度，克服了鋁基復合材料存在易脫落，耐磨性差的缺陷。陷。
