本發(fā)明屬于材料表面涂層技術領域，尤其涉及一種鎂合金表面冷噴涂420不銹鋼復合涂層的制備方法。

背景技術：

鎂合金是工程應用中最輕的金屬結構材料，大量應用高性能鎂合金材料是實現軍、民高端裝備輕量化的重要途徑之一。但鎂合金的硬度較低，耐磨性、耐腐蝕性及耐高溫性較差，這在一定程度上制約了鎂合金材料的廣泛應用。因此，對鎂合金基體材料進行表面處理，制備磨損和腐蝕防護涂層，以提高鎂合金的耐磨、耐腐蝕等綜合性能，已成為當今鎂合金材料研究和發(fā)展的熱點。目前，鎂合金采用的表面涂層處理工藝主要有化學轉化、陽極氧化、微弧氧化、氣相沉積、粒子注入、化學鍍及電鍍等。然而，這些方法在處理條件、膜層結構、環(huán)境保護、經濟成本等方面存在諸多缺陷，尋找一種既經濟環(huán)保又高效可行的鎂合金表面涂層技術，對進一步拓展鎂合金的應用范圍具有重大的意義。

冷噴涂技術是近幾年來發(fā)展起來的新型表面涂層技術，已經成功實現了高質量金屬、陶瓷及金屬陶瓷的制備。在冷噴涂過程中，噴涂粉末粒子在非氧化性氣流束中加速，依賴高的速度和動能形成低氧化物含量、低內應力、高硬度、大厚度涂層。與傳統熱噴涂相比，冷噴涂在低于粉末粒子熔點的溫度條件下形成涂層。因此，減小甚至消除了如高溫氧化，相變結晶、殘余拉應力等傳統熱噴涂方法中存在的有害因素，已成為在鎂合金表面制備耐磨、防腐涂層最有效的方法之一。目前，關于冷噴涂技術在鎂合金表面制備耐磨耐蝕涂層的研究在國內尚處于起步階段。

不銹鋼材料具有高硬度、高耐磨性、優(yōu)良的耐蝕性等優(yōu)點，在實際生產應用中具有重要的意義。420不銹鋼作為一種馬氏體不銹鋼，既有較好的耐腐性，又具有較高的硬度和優(yōu)良的耐磨性，被廣泛應用于零件尺寸的恢復和材料表面性能強化。目前，不銹鋼涂層的制備工藝主要有熱噴涂、激光熔覆、電弧噴涂等。然而，這些制備工藝通常存在制備溫度高、底材熱影響區(qū)和氧化明顯等問題，大大限制了其在鎂合金表面強化領域的廣泛應用。冷噴涂技術則可以消除上述制備工藝的諸多缺點，在制備鎂合金表面不銹鋼涂層方面具有明顯的優(yōu)勢。目前，尚未見到關于冷噴涂技術在鎂合金表面制備420不銹鋼及其復合涂層的報道。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種鎂合金表面冷噴涂420不銹鋼復合涂層的制備方法，制備的復合涂層結構致密均勻、孔隙率低、硬度高，與基體材料結合牢固，具有良好的耐蝕性和抗磨性能。

本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種鎂合金表面冷噴涂420不銹鋼復合涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

1)按照配比稱取420不銹鋼粉末95～40wt％、硬質增強相材料粉末5～60wt％。，將上述兩種粉末置于機械混料機中混合后制得噴涂粉末；

2)依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理；

3)將步驟1)制備的噴涂粉末裝入冷噴涂設備的送粉器中，再將經過步驟2)處理后的鎂合金基材固定在噴涂夾具上，設定噴涂工藝參數后，用冷噴涂工藝在鎂合金基材表面制備420不銹鋼復合涂層。

作為改進，所述增強相材料為SiC、Al₂O₃、TiC、WC-12Co、WC-17Co、WC-CoCr或WC-NiCr中的一種或幾種，硬質增強相材料粉末為球形形貌或不規(guī)則形貌，粒徑為5～30μm。

作為改進，所述420不銹鋼粉末為球形形貌，粒徑為5～50μm。

再改進，所述步驟2)中噴砂粗化處理的的工藝參數為：噴砂壓力為0.3～1.0MPa，噴砂時間為10～30s，噴砂用砂丸目數為40～200目。

進一步改進，所述步驟3)中的冷噴涂是指用冷噴涂設備，通過噴槍的高速氣流將制備的噴涂粉末沉積在鎂合金基材上，得到420不銹鋼復合涂層，其具體的冷噴涂參數為：工作氣體為氦氣或氮氣，噴涂壓力為2.5～3.5MPa，溫度為500～800℃，噴涂距離為20～40mm，噴槍移動速度為50～400mm/s，送粉速率為1～5kg/h，噴涂角度為70～90°。

最后，所述步驟3)的420不銹鋼復合涂層厚度控制在0.2mm～2.0mm之間。

與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明采用冷噴涂技術，工藝簡單，易操作，制備的冷噴涂420不銹鋼復合涂層是一種單層結構涂層，以420馬氏體不銹鋼作為涂層的基礎相，充分保證了涂層的耐磨和耐蝕性能，同時加入硬質增強相材料，可以進一步實現其抗腐蝕、耐磨性能的優(yōu)化結合；涂層厚度控制在0.2mm～2.0mm之間，涂層結合強度在55～80MPa之間，涂層的顯微硬度在450～850HV之間，涂層與Si₃N₄球配副的平均摩擦系數為0.6～0.75，涂層的磨損率在1×10^-6mm³/N·m～2×10^-5mm³/N·m之間。本發(fā)明制備的復合涂層結構致密、孔隙率低、硬度高，與基體材料結合強度高，涂層具有良好的抗蝕性，且耐磨性能大幅提高，是鎂合金及其構件表面耐腐蝕、耐磨損的優(yōu)良防護涂層。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的實施例1中420不銹鋼/WC-12Co復合涂層的截面電鏡形貌；

圖2是本發(fā)明提供的實施例2中420不銹鋼/SiC復合涂層的截面電鏡形貌；

圖3是發(fā)明提供的實施例3中420不銹鋼/Al₂O₃復合涂層的截面電鏡形貌。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

實施例1

A：稱取420不銹鋼粉末500g，粒徑為5～30μm，粉末形貌為球形；稱取WC-12Co粉末500g，粒徑為5～30μm，粉末形貌為球形，將上述兩種粉末置于機械混料機中混合后得到噴涂粉末。

B：依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基材，噴砂壓力為1.0MPa，噴砂時間為30s，噴砂用砂丸目數為200目。

C：將步驟A制備的噴涂粉末裝入送粉器中，再將經過步驟B處理后的鎂合金基材固定在在噴涂夾具上，用冷噴涂工藝制備420不銹鋼/WC-12Co復合涂層，其具體的噴涂參數為：工作氣體為氦氣，噴涂壓力為3.0MPa，溫度為600℃，噴涂距離為20mm，噴槍移動速度為200mm/s，送粉速率為2kg/h，噴涂角度為90°。

本實施例所制備的420不銹鋼/WC-12Co復合涂層微觀顯微組織如圖1所示，從圖中可以看出，復合涂層結構致密、組織分布均勻，涂層的厚度為700um。通過材料力學試驗機測得涂層的結合強度為58MPa。通過顯微硬度計測得涂層的顯微硬度為800HV。采用球-盤摩擦磨損試驗機表征涂層在不同載荷下與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨損率。表1給出的是涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率?？梢钥闯?，涂層在不同的赫茲接觸應力下的磨損率都在10^-6量級，表現出優(yōu)異的耐磨性能。

表1 420不銹鋼/WC-12Co涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率

實施例2

A：稱取420不銹鋼粉末400g，粒徑為5～30μm，粉末形貌為球形；稱取SiC粉末100g，粒徑為5～30μm，粉末形貌為不規(guī)則形貌，將上述兩種粉末置于機械混料機中混合后得到噴涂粉末。

B：依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基材；噴砂壓力為0.3MPa，噴砂時間為10s，噴砂用砂丸目數為40目。

C：將步驟A制備的噴涂粉末裝入送粉器中，再將經過步驟B處理后的鎂合金基材固定在噴涂夾具上，用冷噴涂工藝制備420不銹鋼/SiC復合涂層，其具體的噴涂參數為：工作氣體為氮氣，噴涂壓力為3.5MPa，溫度為700℃，噴涂距離為30mm，噴槍移動速度為400mm/s，送粉速率為5kg/h，噴涂角度為90°。

本實施例所制備的420不銹鋼/SiC復合涂層微觀顯微組織如圖2所示，從圖2中可以看出，復合涂層結構致密、組織分布均勻，涂層的厚度為500um。通過材料力學試驗機測得涂層的結合強度為46MPa，通過顯微硬度計測得涂層的顯微硬度為740HV，采用球-盤摩擦磨損試驗機表征涂層在不同載荷下與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨損率。表2給出的是涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率?？梢钥闯?，涂層在不同的赫茲接觸應力下都具有優(yōu)異的耐磨性。

表2 420不銹鋼/SiC涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率

實施例3

A：稱取420不銹鋼粉末1.5kg，粒徑為5～30μm，粉末形貌為球形；稱取Al₂O₃粉末500g，粒徑為5～30μm，粉末形貌為不規(guī)則形貌，將上述兩種粉末置于機械混料機中混合后得到噴涂粉末。

B：依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基體，噴砂壓力為0.5MPa，噴砂時間為10s，噴砂用砂丸目數為40目。

C：將步驟A制備的噴涂粉末裝入送粉器中，再將經過步驟B處理后的鎂合金基材固定在噴涂夾具上，用冷噴涂工藝制備420不銹鋼/Al₂O₃復合涂層；其具體的噴涂參數為：工作氣體為氮氣，噴涂壓力為2.5MPa，溫度為800℃，噴涂距離為20mm，噴槍移動速度為50mm/s，送粉速率為2kg/h，噴涂角度為90°。

本實施例所制備的420不銹鋼/Al₂O₃復合涂層微觀顯微組織如圖3所示，從圖3中可以看出，復合涂層結構致密、組織分布均勻，涂層的厚度為1.0mm。通過材料力學試驗機測得涂層的結合強度為55MPa，通過顯微硬度計測得涂層的顯微硬度為760HV，采用球-盤摩擦磨損試驗機表征涂層在不同載荷下與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨損率。表3給出的是涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率。可以看出，涂層在不同的赫茲接觸應力下都具有優(yōu)異的耐磨性。

表3 420不銹鋼/Al₂O₃涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率

實施例4

A：稱取420不銹鋼粉末1.2kg，粒徑為30～50μm，粉末形貌為球形；稱取TiC粉末800g，粒徑為5～30μm，粉末形貌為不規(guī)則形貌，將上述兩種粉末置于機械混料機中混合后得到噴涂粉末。

B：依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基體，噴砂壓力為0.5MPa，噴砂時間為30s，噴砂用砂丸目數為100目。

C：將步驟A制備的噴涂粉末裝入送粉器中，再將經過步驟B處理后的鎂合金基材固定在噴涂夾具上，用冷噴涂工藝制備420不銹鋼/TiC復合涂層；其具體的噴涂參數為：工作氣體為氮氣，噴涂壓力為3.5MPa，溫度為600℃，噴涂距離為20mm，噴槍移動速度為200mm/s，送粉速率為2kg/h，噴涂角度為90°。

本實施例所制備的420不銹鋼/TiC復合涂層結構致密、組織分布均勻，涂層厚度為1.2mm。通過材料力學試驗機測得涂層的結合強度為60MPa，通過顯微硬度計測得涂層的顯微硬度為780HV，采用球-盤摩擦磨損試驗機表征涂層在不同載荷下與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨損率。表4給出的是涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率?？梢钥闯?，涂層在不同的赫茲接觸應力下都具有優(yōu)異的耐磨性。

表4 420不銹鋼/TiC涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率

實施例5

A：稱取420不銹鋼粉末500g，粒徑為30～50μm，粉末形貌為球形；稱取WC-CoCr粉末250g，粒徑為5～30μm，粉末形貌為球形，稱取WC-NiCr粉末250g，粒徑為5～30μm，粉末形貌為球形，將上述三種種粉末置于機械混料機中混合后得到噴涂粉末。

B：依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基體，噴砂壓力為0.5MPa，噴砂時間為20s，噴砂用砂丸目數為100目。

C：將步驟A制備的噴涂粉末裝入送粉器中，再將經過步驟B處理后的鎂合金基材固定在噴涂夾具上，用冷噴涂工藝制備420不銹鋼/WC-CoCr/WC-NiCr復合涂層；其具體的噴涂參數為：工作氣體為氮氣，噴涂壓力為3.0MPa，溫度為700℃，噴涂距離為25mm，噴槍移動速度為200mm/s，送粉速率為1kg/h，噴涂角度為90°。

本實施例所制備的420不銹鋼/WC-CoCr/WC-NiCr復合涂層結構致密、組織分布均勻,涂層厚度為600um。通過材料力學試驗機測得涂層的結合強度為61MPa，通過顯微硬度計測得涂層的顯微硬度為790HV，采用球-盤摩擦磨損試驗機表征涂層在不同載荷下與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨損率。表5給出的是涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率?？梢钥闯?，涂層在不同的赫茲接觸應力下都具有優(yōu)異的耐磨性。

表5 420不銹鋼/WC-CoCr/WC-NiCr涂層與Si₃N₄球配副的摩擦系數和磨磨損率