[发明专利]高结合强度及内聚强度金属涂层及热喷涂制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高结合强度及内聚强度金属涂层及热喷涂制备方法和应用，属于材料加工技术领域。采用高熔点金属包覆低熔点金属颗粒而构成复合结构粉末；将复合结构粉末作为热喷涂粉末，通过等离子喷涂或火焰喷涂的热喷涂方法在基体表面沉积涂层，制得高结合强度及高内聚粘结强度涂层。经本发明方法制备的高结合强度及内聚强度金属涂层因界面结合显著增强而承载能力提高，可发挥涂层材料自身的优异的耐磨损性能，因无贯通孔隙存在，可完全隔离腐蚀介质、阻止其从涂层表面到达涂层与基体界面，发挥涂层材料自身的优异耐腐蚀性能。既可作为合金涂层使用，也可作为其他涂层材料的粘结层或打底层使用。

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种高结合强度及内聚强度金属涂层及其热喷涂制备方法和应用。

背景技术

等离子喷涂与火焰喷涂是制备金属合金涂层、提高金属材料服役性能的重要方法。通常使用粉末材料作为初始喂料制备涂层。在制备涂层时，将粉末送进等离子射流等热源中，被加热至熔融或接近熔融的状态，依次碰撞在基体表面堆积而形成涂层。因此，涂层由源于熔融或半熔态的粒子变形形成的圆盘状粒子堆积而成，具有层状结构，涂层内的粒子层之间的界面结合状态显著影响着或甚至控制着涂层的各种性能。有研究表明，无论是金属涂层，还是热喷涂陶瓷涂层，涂层的粒子层间结合率非常有限，最大仅为32％，而涂层的各种力学性能(如弹性模量、断裂韧性、冲蚀磨损率)、电导率、热导率等都受到涂层内粒子层之间的界面的有限结合的控制，从而表现涂层的上述性能均为相应块体性能的10％～30％。另一方面，未结合界面与其它类型的孔隙相互连通构成从涂层表面贯通至涂层/基体界面的贯通孔隙，使得涂层不能完全阻挡隔离腐蚀介质与基体合金的接触，从而使耐磨损性能优越的材料制备的喷涂态涂层难以直接用作耐腐蚀涂层。

针对涂层的这一问题，通常采用两种方法对涂层进行后处理：其中一种方法为消除涂层孔隙的同时达到粒子间完全结合，如传统的自熔合金通过重熔处理的方法，合金涂层通过高温热处理方法，利用激光等高能热源对涂层进行重熔处理的方法等。这类方法需要高温处理，分别存在高温加热变形或不适用于尺寸较大零部件的问题。另一种方法为采用有机或无机溶剂类液态封孔剂封孔处理，可以改善涂层的耐腐蚀性能，但受封孔剂的物理化学性能的影响，封孔深度受到限制，不能显著改善涂层的其他性能，而随涂层磨损等的发生，因封孔层消失而使封孔效果失效；与此同时，封孔剂的使用温度也因主要封孔材料为有机封孔剂而受到限制。因此，对于控制涂层性能的热喷涂涂层粒子界面有限结合这一问题，迄今尚没有找到一种直接在喷涂过程中形成粒子间完全结合的有效的方法，能够显著改善金属涂层的结合。

研究表明，碰撞熔滴与基体或先沉积粒子之间的界面温度对涂层的界面结合具有积极影响。由此可提出两种提高粒子界面结合的基本途径：其一是提高熔融粒子碰撞前的“基体”表面温度，其二是提高熔融粒子的温度或热焓。而对于金属合金材料，提高粒子的沉积温度会显著增厚基体或先沉积粒子表面的氧化膜而不利于结合。因此，通过提高碰撞基体前的熔融金属粒子温度或热焓是增强金属合金涂层粒子界面结合的必要途径。