[发明专利]一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超音速喷涂技术领域，具体涉及一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层及其制备方法。

背景技术

铝青铜是指以铝为主要添加元素的铜基合金，其含铝量一般不超过11.5%，而高铝青铜则是指含铝量在11.5%以上、15%以下的铝青铜。

铝青铜具有高强、耐蚀、耐磨、冲击时不产生火花等优点，可应用于舰船螺旋桨、制动闸轮等易蚀易磨零部件。但由于铝青铜自身的物理化学特性，使其在加工成型过程中存在一些技术瓶颈，一方面铝青铜凝固范围狭小易生成发达的柱状晶和集中缩孔，另一方面在565℃，当冷却速率较低时发生β→α+γ₂共析转变，γ₂相含量增多使合金严重变脆且易发生选择性腐蚀，因此极大地限制了其应用范围。而采用喷涂的方法制备高铝青铜涂层，则可克服上述加工成型带来的困难。

目前高铝青铜涂层的制备方法主要有电弧喷涂（焰流温度在10000℃以上）、超音速等离子喷涂（焰流温度在25000℃以上）、超音速氧气火焰（HVOF）喷涂（焰流温度为3000～4000℃）、超音速空气火焰（HVAF）喷涂（焰流温度为1000～1900℃）等高温喷涂技术，所制备的涂层具有良好的耐磨耐蚀性能，但由于喷涂温度高，所制备的涂层存在氧化和相变的问题，而且由于涂层中热应力较大，从而无法制备超厚涂层（厚度在2mm以上），进而不能修复装备铜合金零部件由于严重磨损而引起的大尺度体积损伤。

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有的喷涂技术所制备的高铝青铜涂层存在氧化程度较高、热应力较大、涂层厚度较小等问题，提供一种氧化程度较低、热应力较小、涂层厚度较大的用于体积损伤修复的高铝青铜涂层。

本发明的目的之二在于提供上述用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法。

实现本发明目的之一的技术方案是：一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层，所述高铝青铜涂层的化学成分如下：Al：13.30wt%、Fe：4.93wt%、Mn：1.62wt%、Zn：0.33wt%、Ni：0.31wt%、Co：5.49wt%、Cu余量。所述高铝青铜涂层的厚度为2.5～4mm。

所述高铝青铜涂层的磨损体积为8×10^-6～12×10^-6μm³（载荷10N、磨损时间15min、位移幅值D为4mm、往复频率5Hz的条件下）；结合强度为20～50MPa；显微硬度为200～300HV；孔隙率为0.25～3.25vt%；氧元素含量为0.87～1.07wt%。

实现本发明目的之二的技术方案是：一种用于体积损伤修复的高铝青铜涂层的制备方法，采用低温超音速喷涂技术在铜合金基体表面喷涂高铝青铜粉末制备高铝青铜涂层，所述低温超音速喷涂技术的焰流温度为600～900℃，喷涂颗粒温度为300～500℃；所述高铝青铜粉末的化学成分如下：Al：13.30wt%、Fe：4.93wt%、Mn：1.62wt%、Zn：0.33wt%、Ni：0.31wt%、Co：5.49wt%、Cu余量；制得的高铝青铜涂层的厚度为2.5～4mm。

当涂层厚度超过4mm时，涂层性能会恶化，这极有可能是因为厚度增大会使得残余应力增大，而过大的残余应力对材料硬度、断裂和结合强度等力学性能产生很大的影响，会使涂层发生开裂和脱落等失效现象。而涂层厚度小于2.5mm时，对其性能测试时发现无法满足工业需要，也即不能修复装备铜合金零部件由于严重磨损而引起的大尺度体积损伤。

本发明的低温超音速喷涂技术是以丙烷为主燃气、压缩空气为助燃气、氢气为还原气体、氮气为送粉载气；喷涂的工艺参数为：空气压力为90PSI，丙烷压力为68～80PSI，氢气流量为40L/min，氮气流量为40L/min，喷涂距离为140mm。

当丙烷压力低于68PSI时，喷涂颗粒温度会降低，不利于颗粒塑性的提高，会导致涂层结合强度低、孔隙率高、耐磨性能差等；而当丙烷压力高于80PSI时，喷涂颗粒温度会升高，使得涂层产生相变和氧化等问题。丙烷压力以76PSI最佳。

本发明采用的高铝青铜粉末为气雾化高铝青铜粉末，其粒径为15μm～45μm，使用前先在120℃烘箱中烘干3h。该气雾化高铝青铜粉末的冷却速率最高可达10⁶K/s，可抑制γ₂相的生成。