冷喷涂制备铝基涂层研究进展及应用现状分析.pdf
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1、Plating and FinishingAug.2023Vol.45 No.8 Serial No.365冷喷涂制备铝基涂层研究进展及应用现状分析任子阳1,汤嘉昊1,殷世铜1,李子轩1,张留艳1,2*,谭桂斌2(1.广东工业大学 材料与能源学院,广东 广州 510006;2.广东工业大学 广东省海洋能源装备先进制造技术重点实验室,广东 广州 510006)摘要:系统介绍了近年来冷喷涂制备铝基涂层的现状,总结了Al-Ni、铝青铜、高铝青铜、Al-Al2O3、Al-Fe、铝基非晶涂层这几种铝基涂层体系在冷喷涂制备中所采用的工艺,对涂层的微观结构、力学性能以及耐腐蚀、耐磨损性能等进行了阐述,并对冷
2、喷涂技术制备铝基涂层的研究发展和应用方向进行了展望。关键词:冷喷涂;铝基涂层;微观结构;力学性能;腐蚀性能;磨损特性中图分类号:TG174.4文献标识码:AResearch progress and application status analysis of aluminum-based coatings prepared by cold sprayingRen Ziyang1,Tang Jiahao1,Yin Shitong1,Li Zixuan1,Zhang Liuyan1,2*,Tan Guibin2(1.School of Materials and Energy,Guangdong
3、 University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Marine Energy Facilities,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)Abstract:The present situation of aluminum-based coatings prepared by cold spraying in re
4、cent years was systematically introduced,and the processes used in the preparation of aluminum-based coatings were summarized such as Al-Ni,aluminum bronze,high aluminum bronze,Al-Al2O3,Al-Fe and aluminum-based amorphous coatings.The microstructure,mechanical properties,corrosion resistance and wear
5、 resistance of the coatings were described,and the research development and application direction of the aluminum-based coatings prepared by cold spraying technology were prospected.Keywords:cold spraying;aluminum-based coating;microstructure;mechanical properties;corrosion resistance;wear resistanc
6、e由于铝的密度较小、容易成型等优点,其在航空航天、交通、运输、电子设备等领域都有良好的应用前景。但由于铝及其合金硬度低、耐腐蚀性差,在服役过程中容易发生腐蚀而降低使用寿命。利用表面改性技术提高铝的耐蚀性能是非常有必要的。现阶段常用的表面改性方法主要包括化学气相沉积法、激光熔覆技术、超音速火焰喷涂技术、等离子喷涂技术、阳极氧化等。但是这些方法基本都存在着工件doi:10.3969/j.issn.1001-3849.2023.08.012 收稿日期:2023-04-11 修回日期:2023-05-30 作者简介:任子阳(2002),男,本科生,研究方向:表面工程,email: *通信作者:张留艳(
7、1983),女,博士,副教授,研究方向:表面工程,email: 基金项目:广东省基础与应用基础研究基金 超大型海上风电装备的高性能长寿命唇封材料磨损与失效特性研究(No.2022A1515240004);广州市科技计划项目 海洋盐雾条件下超高压往复密封系统腐蚀磨损交互作用及规律研究(No.2023A04J0270)74第 45 卷 第 8 期(总第 365 期)2023 年8 月电 镀 与 精 饰受热大并且稳定性不高、价格太昂贵等缺点。铝和铝合金都适合作为金属基复合材料的基体,铝基复合材料是采用颗粒(直径在 0.5100 m之间的等轴晶粒)或者纤维(包括短晶须等)作为增强体,并通过运用一些与传
8、统工艺不同的方法制备出来的一种新型结构材料,具有抗腐蚀性能强、密度低以及硬度高等很多优势,成为飞行器制造、交通工具制造以及国防武器装备制造等领域中常用的一种材料1。目前,铝基复合材料常用的制备方法主要为粉末冶金法、固态热压法、热等静压法、搅拌铸造法、液态金属渗透法、热喷涂法和原位合成法等2。但上述这些制造方法或多或少都存在一些不足之处,例如:粉末冶金法所需成本较高、生产效率低,无法制造尺寸较大的零部件,并且易在零件内部产生气孔与偏析;热喷涂法能够应用的材料范围非常广泛,并且工作场地及工件尺寸均不受限制,但也存在热效率低、均匀性差、结合强度不够高、存在孔隙以及高温使工件变形等问题;原位合成法是新
9、兴的制备复合材料的一种方法,这种方法能得到热力学性能稳定、结合强度很高的复合材料,同时成本也比较低,但也存在合成体系有限、反应速度难以控制等问题。近年来,冷喷涂技术因其优异的性能和广阔的应用前景引起了国内外学者的广泛关注。冷喷涂技术是一种新的涂层制备方法,其基本原理是将高纯度粉末与惰性气体混合形成不稳定的混合气体,并在常温下高速运动,由高速气流带动,使粉末颗粒迅速加热、熔化和蒸发,在基体表面形成由固态到液态的过渡层。喷涂粉末和基体之间通过高速的气流充分碰撞进行热交换,在极短的时间内形成完全冶金结合的涂层。冷喷涂预处理阶段是指将基材加热到高于其熔点的温度;喷涂阶段是指将喷涂材料喷到基材表面,并通
10、过高速旋转的喷枪将其与基材充分混合;后处理阶段是指利用喷枪将喷涂材料喷到基材表面,并通过后处理将其与基体分离。冷喷涂技术的应用特点是对基材的预处理要求较低且能够在较高的温度下快速进行,可以克服传统热喷涂对基材的预处理要求,从而满足生产实际需要。这种特殊的喷涂技术大大提高了喷涂效率和涂层质量,有效避免了传统热丝喷涂中因涂层厚度较薄而易造成裂纹和气孔缺陷的缺点,同时具有喷涂效率高、对基材热影响小、涂层外形与基材表面形貌一致、氧化物含量低、致密度高等优点。本文对国内外相关研究资料进行了总结与分析,结合前人研究结果对冷喷涂制备铝基复合涂层的制备工艺及特点进行分析与研究,并对铝基复合材料的未来发展趋势进
11、行了展望。1Al-Ni涂层镍铝青铜合金因具有很高的耐腐蚀性能和良好的机械性能,通常被用来制造船体制动的螺旋桨、海洋泵体的零件以及一些水下作业使用的零件3。陈晓峰等4通过使用Kentiks-4000型冷喷涂设备,将工业氮气作为冷喷涂通入的气体,其压力、温度分别为3.0 MPa、650,喷涂距离选择了35 mm,送粉率为40 g/min,在镍铝青铜合金表面冷喷涂制备Al-Ni涂层。通过使用扫描电镜、X射线衍射仪观察并测试了镍铝青铜合金与涂层的微观组织形貌,通过使用X射线光电子能谱(XPS)和电化学工作站测试了合金与冷喷涂制备涂层的电化学行为,再通过使用磨蚀试验机测量了它们的磨蚀性能。结果表明:冷喷
12、涂制备的涂层经过电化学腐蚀后,晶间腐蚀和选相腐蚀会在基体上发生,同时相对较小的微孔和裂纹也会在涂层被腐蚀后产生;相对于静态环境,在磨蚀的过程中,由于摩擦和钝化的共同效果以及阳极在摩擦的促进下溶解等因素,使得冷喷涂制备的涂层和基体检测出来的自腐蚀电位相比出现明显的下降,因此自腐蚀电流会增大,涂层与基体的耐腐蚀性能也随之下降;如果在干摩擦过程中,磨蚀也会使得涂层和基体的摩擦系数显著增大,导致减磨性能变差。Podrabinnik P等5采用激光辅助冷喷涂的方法制备出Al-Ni复合涂层,AlxNiy金属间化合物是通过辅助激光的原位退火工艺生成的。Lee H Y等6通过使用冷喷涂的技术制备出Al-Ni复
13、合涂层,后续采用450 以上退火热处理方法,形成了含有Al3Ni和Al3Ni2两种金属间化合物的复合涂层。Spencer K等7通过使用冷喷涂技术,在镁合金基体上制备出Al-Ni 复合涂层,在 420 下退火处理 2 h,得到了75Vol.45 No.8 Serial No.365Plating and FinishingAug.2023Ni2Al3和NiAl3两种金属间化合物,这使得涂层的显微硬度明显得到了提高。采用冷喷涂技术制备的Al-Ni复合涂层的后续热处理加工过程对涂层的金属间黏结层结合能力强弱有很重要的影响,同时热处理加工过程中以及冷喷涂过程中不免伴随着一些残余应力的产生,应力也是一
14、个很重要的因素。Xie F等8通过采用实验建模的方法,探究了残余应力对Al-Ni复合涂层金属间黏结层结合能力的影响,发现如果Al、Ni粉末进行机械碾磨前处理,即消除之前过程中产生的残余应力,将会大幅度缩短Al-Ni复合涂层合金化的时间。2Al-Cu涂层冷喷涂制备的Al-Cu涂层通常称之为铝青铜涂层(铝元素含量不超过11.5%)和高铝青铜(铝元素含量为11.5%16.0%)。如果想要提升某种特定的性能,还会增加其他元素。铝青铜作为舰船螺旋桨的材料,能起到很好的抗腐蚀及抗空蚀作用,但整个制造成本过高;而在船舵表面涂覆铜-铝青铜材料,使其具有与铝青铜质结构件相似的性能,可达到提高船舵使用寿命的效果。
15、通过冷喷涂工艺可得到致密涂层,且与铜-铝青铜材料有相同或类似的性能,冷喷涂工艺避免了副反应物的产生(如热喷涂工艺中易生成的氧化物),使该工艺得到的涂层拥有更好的力学性能9。高铝青铜则因为其铝含量的提高,形成了强度、耐腐蚀能力和耐磨能力较高的优势,在航空航天、海洋工程等领域得到了广泛应用。另外,由于该材料还有着良好的导热性能和刚度稳定等性能,还被用作一些材料的模具。但是由于其呈现液态时流动性差,容易产生气孔等缺陷,导致裂纹甚至断裂的发生,所以通常将其做成粉末态,再通过喷涂等方式添加到其他基体表面,以获得良好性能的高铝青铜。Kerbs S等10使用 CGT-Kinetiks 8000高压冷喷涂装置
16、(气体预热温度最高为1000),在钢的基体表面制备了CuAl10Fe5Ni5涂层,并通过采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度测试等深入研究其微观结构以及性能。结果表明:涂层的气孔率小于2%,显微硬度达到368 HV3N,沉积效率可达70%。冷喷涂颗粒撞击后形貌有3种:留下孔洞反弹、在基体表面铺展开以及嵌入基体中。后面2种方式对冷喷涂制备涂层有促进作用。孙晓峰等4,11使用 CGT-Kinetiks 4000 高压冷喷涂设备(气体预热温度最高为800),在镍铝青铜9442合金表面进行了镍铝青铜涂层制备,同时探究了在不同pH中涂层的电化学腐蚀以及腐蚀磨损性能。结果表明:冷
17、喷涂的铝镍青铜涂层内部致密且颗粒发生了明显变形,但涂层表面缺乏后续的一些处理,导致表面颗粒容易脱落,会产生孔隙和裂纹。涂层电化学腐蚀测试结果发现,不管是在碱性环境下还是在酸性环境下,有涂层部位的耐腐蚀能力都比没有涂层的地方要强,而在酸碱度适中的环境中,有涂层部位的耐腐蚀能力却相对较弱。在pH=3或者pH=11的环境中,基层表面以及涂层表面都会受到摩擦因素的影响,会出现表面疲劳磨损以及选相腐蚀等问题,在这种环境下,有涂层的地方会表现出比较强的抗腐蚀能力,而当环境中的pH为7左右时,防腐涂层会出现磨粒磨损,涂层中的 Cu会出现溶解问题,而随着Cu的不断溶解,涂层的耐腐蚀能力也会随之下降。Migue
18、l J M等12分别采用冷喷涂技术与APS(大气等离子喷涂)技术将铝青铜粉末与Al2O3粉末按照不同比例混合制备涂层,并对冷喷涂制备的涂层进行了硬度以及耐磨性能的检测。结果表明:冷喷涂制备的涂层致密度更高,同时没有氧化物的夹杂,冷喷涂制备的涂层硬度高于同等条件下APS制备的涂层,且随着Al2O3粉末含量的增加,涂层硬度逐渐上升。涂层结合强度也随着Al2O3粉末含量的增加而增加,但是APS制备的涂层结合强度更高。在涂层中添加Al2O3颗粒,使得冷喷涂制备的涂层磨损性能得到了提高,不过由于Al2O3颗粒本身塑性比较差,因此其耐浸蚀的能力比较弱,导致复合涂层的含量越低,其抗浸蚀能力越强。与铝青铜相比
19、,铝元素含量的提高可以使其具有更高的硬度、粉末流动性及耐磨擦性等,其在表面工程领域的前景广阔13。制备高铝青铜涂层,之前往往采用气雾化方法制备粉末,但是其成本较高,在工业中难以广泛应用。冯力等14提出了一种冷喷涂76第 45 卷 第 8 期(总第 365 期)2023 年8 月电 镀 与 精 饰辅助原位合成高铝青铜合金涂层的方法,通过使用GDU-3-15设备,在 45钢基体(C 0.42%0.50%,Si 0.17%0.37%,Mn 0.50%0.80%,Cr0.25%,喷涂前对基体喷砂粗化处理)上制备了高铝青铜涂层,并采用了场发射扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱仪(EDS)分析了涂层摩擦试
20、验前后的表面形貌和成分;通过采用X射线衍射仪对冷喷涂涂层的表面进行物相分析,同时采用显微硬度计测量了涂层和粉末的显微硬度。结果表明:冷喷涂辅助原位合成高铝青铜合金涂层的组织是以相、相、2相和k相为主的典型高铝青铜合金组织。通过原位合成法制备出的高铝青铜,其冷喷涂合金涂层微观结构致密、孔隙率比较低,具有良好的耐磨和耐腐蚀性能,这些性能都非常接近于高铝青铜合金。涂层的硬度为3570 MPa,与氧化铝的干摩擦系数为 0.320。在3.5 wt.%NaCl与 5.0 wt.%H2SO4腐蚀介质里面的稳定电位分别为366 mV和387 mV(vs.SCE)。使用该方法制备出的高铝青铜涂层具有更高的耐腐蚀
21、能力,可以对基层进行有效的防护,避免基层出现腐蚀问题。3Al-Al2O3涂层目前,热喷涂、化学气相沉积(CVD)和冷喷涂这几种方法是制备高性能 Al-Al2O3涂层的常用方法。与热喷涂相比,工艺简单、成本低、涂层质量好是冷喷涂技术的优势。通过冷喷涂技术制备的Al-Al2O3涂层具有较高的致密性、硬度和结合强度,抗磨损能力也得到了大幅度的提升。不同的载气温度会影响冷喷涂得到的Al-Al2O3复合涂层的表面质量。杨理京等15研究了不同载气温度对复合涂层沉积特性的影响规律,利用扫描电子显微镜和三维轮廓仪测量并观察了复合涂层的厚度、涂层的表面形状和微观组织。在一定温度范围内,复合涂层的厚度随载气温度升
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