[发明专利]一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用，属于材料加工技术领域，包括：1)取陶瓷颗粒、金属陶瓷颗粒、纯金属或合金作为喷丸颗粒；取单一成分的纯金属、合金、金属基复合材料，或者，纯金属、合金或金属间化合物中两种或两种以上的混合体作为沉积材料粉末；2)采用冷喷涂工艺，将喷丸颗粒和沉积材料粉末混合后喷涂在基体表面，制得高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体。该方法无需显著提高粒子速度和沉积温度，操作简单，经本发明方法制得的沉积体具有更加优越的导电性、导热性，更高的耐腐蚀、耐磨损和更高的力学性能，因而可以广泛应用于制备高导电、高导热、高耐腐蚀、高耐磨损涂层或高力学性能工件。

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用。

背景技术

冷喷涂是一种采用高速气体在较低的温度下(<1000℃)加速微米尺度的粒子(～5-75μm)，使其在完全固态下高速撞击基体(～300-1200m/s)，通过粒子与基体界面处剧烈的塑性变形而实现材料沉积的工艺。较低的气体温度可以避免粉末发生常规热喷涂工艺中诸如氧化、相变、晶粒长大等热影响。同时，较高的粒子速度有助于粒子在沉积过程中发生充分的塑形变形从而获得组织致密的沉积体。这些特点使得冷喷涂金属/金属基涂层通常具有高导电性、高导热性、高耐腐蚀性、高耐磨性等优异特性。另一方面，较低的沉积温度使得冷喷涂成为制备诸如纳米晶金属材料、纳米复合材料、金属玻璃等热敏感材料，以及Ti、Cu及其合金等氧化敏感材料的有效方法，可避免其它工艺引起的缺陷。近期采用冷喷涂技术进行增材制造(3D打印)研究开发也受到关注。这些特点使冷喷涂作为制备保护涂层的方法在机械、化工等领域，作为材料沉积的方法在工件修复、增材制造方面具有广泛的应用前景。

大量研究结果表明，冷喷涂沉积体的性能受自身显微结构，特别是粒子间结合状态和孔隙率的显著影响。沉积体中粒子间的孔隙及弱结合会严重影响电子、热量及力的传导，同时还可成为腐蚀介质进入沉积体内部的快速通道。因此，粒子间结合状态及沉积体的孔隙率高低对于沉积体的导电性、导热性、力学性能及耐腐蚀性能的优劣具有决定性作用。目前冷喷涂工艺中，增强沉积粒子间结合、降低沉积体孔隙率主要有显著增加粒子的速度和温度两种途径。增加粒子的速度可以使在高速撞击过程中在产生更高的应力，迫使粒子发生更大的塑性变形；增加粒子的温度可以显著提升粒子的塑性变形能力进而降低粒子沉积所需临界速度同时产生更大的塑性变形。显著提高粒子的速度通常要以价格昂贵的氦气(约为N₂的40倍)作为加速气体；提高粒子的温度通常要通过显著提高加速气体的温度来实现，较高温度气流对暴露于空气中已沉积涂层的加热会导致易氧化金属涂层表面出现氧化现象，严重影响粒子间结合的质量。另外，较高的粒子温度，对于一些如Al、Mg、Zn等低熔点金属、合金及部分的镍基高温合金会出现喷枪堵塞现象，严重影响冷喷涂的工艺性能。因此，亟需不需要显著提高粒子速度和温度且能提高冷喷涂沉积体内粒子结合及降低孔隙率的新途径。

发明内容

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高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法和应用，该方法无需显著提高粒子速度和沉积温度，操作简单，经该方法制备的沉积体组织致密，力学性能优异。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体的制备方法，包括以下步骤：

1)取陶瓷颗粒、金属陶瓷颗粒、纯金属或合金作为喷丸颗粒；取单一成分的纯金属、合金、金属基复合材料，或者，纯金属、合金或金属间化合物中两种或两种以上的混合体作为沉积材料粉末；

2)采用冷喷涂工艺，将喷丸颗粒和沉积材料粉末混合后喷涂在基体表面，制得高致密度冷喷涂金属/金属基沉积体；

其中，喷丸颗粒的体积占喷丸颗粒和沉积材料粉末总体积的20～70％。

所述喷丸颗粒的粒径为50～1000μm。