一種用于體積損傷修復(fù)的高鋁青銅涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超音速噴涂技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于體積損傷修復(fù)的高鋁青銅涂 層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁青銅是指以鋁為主要添加元素的銅基合金，其含鋁量一般不超過11. 5%，而高鋁 青銅則是指含鋁量在11. 5%以上、15%以下的鋁青銅。
[0003] 鋁青銅具有高強、耐蝕、耐磨、沖擊時不產(chǎn)生火花等優(yōu)點，可應(yīng)用于艦船螺旋槳、制 動閘輪等易蝕易磨零部件。但由于鋁青銅自身的物理化學(xué)特性，使其在加工成型過程中存 在一些技術(shù)瓶頸，一方面鋁青銅凝固范圍狹小易生成發(fā)達的柱狀晶和集中縮孔，另一方面 在565°C，當(dāng)冷卻速率較低時發(fā)生0 -a+y2共析轉(zhuǎn)變，Y2相含量增多使合金嚴(yán)重變脆且 易發(fā)生選擇性腐蝕，因此極大地限制了其應(yīng)用范圍。而采用噴涂的方法制備高鋁青銅涂層， 則可克服上述加工成型帶來的困難。
[0004] 目前高鋁青銅涂層的制備方法主要有電弧噴涂(焰流溫度在10000°c以上)、超 音速等離子噴涂(焰流溫度在25000 °C以上)、超音速氧氣火焰（HVOF)噴涂(焰流溫度為 3000~4000°C)、超音速空氣火焰（HVAF)噴涂(焰流溫度為1000~1900°C)等高溫噴涂技 術(shù)，所制備的涂層具有良好的耐磨耐蝕性能，但由于噴涂溫度高，所制備的涂層存在氧化和 相變的問題，而且由于涂層中熱應(yīng)力較大，從而無法制備超厚涂層(厚度在2mm以上)，進而 不能修復(fù)裝備銅合金零部件由于嚴(yán)重磨損而引起的大尺度體積損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的之一在于針對現(xiàn)有的噴涂技術(shù)所制備的高鋁青銅涂層存在氧化程 度較高、熱應(yīng)力較大、涂層厚度較小等問題，提供一種氧化程度較低、熱應(yīng)力較小、涂層厚度 較大的用于體積損傷修復(fù)的高鋁青銅涂層。
[0006] 本發(fā)明的目的之二在于提供上述用于體積損傷修復(fù)的高鋁青銅涂層的制備方法。
[0007] 實現(xiàn)本發(fā)明目的之一的技術(shù)方案是：一種用于體積損傷修復(fù)的高鋁青銅涂層，所 述高錯青銅涂層的化學(xué)成分如下：A1 :13. 30wt%、Fe:4. 93wt%、Mn:1. 62wt%、Zn:0? 33wt%、 Ni:0? 31wt%、Co:5. 49wt%、Cu余量。所述高錯青銅涂層的厚度為2. 5~4mm。
[0008] 所述高鋁青銅涂層的磨損體積為8X1(T6~12Xl(T6ym3 (載荷10N、磨損時間 15min、位移幅值D為4mm、往復(fù)頻率5Hz的條件下）；結(jié)合強度為20~50MPa;顯微硬度為 200~300HV;孔隙率為0? 25~3. 25vt% ;氧元素含量為0? 87~1. 07wt%。
[0009] 實現(xiàn)本發(fā)明目的之二的技術(shù)方案是：一種用于體積損傷修復(fù)的高鋁青銅涂層的 制備方法，采用低溫超音速噴涂技術(shù)在銅合金基體表面噴涂高鋁青銅粉末制備高鋁青銅涂 層，所述低溫超音速噴涂技術(shù)的焰流溫度為600~900°C，噴涂顆粒溫度為300~500°C; 所述高錯青銅粉末的化學(xué)成分如下：A1 :13. 30wt%、Fe:4. 93wt%、Mn:1. 62wt%、Zn:0? 33wt%、 Ni:0? 31wt%、Co:5. 49wt%、Cu余量；制得的高錯青銅涂層的厚度為2. 5~4mm。
[0010] 當(dāng)涂層厚度超過4mm時，涂層性能會惡化，這極有可能是因為厚度增大會使得殘 余應(yīng)力增大，而過大的殘余應(yīng)力對材料硬度、斷裂和結(jié)合強度等力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響， 會使涂層發(fā)生開裂和脫落等失效現(xiàn)象。而涂層厚度小于2. 5mm時，對其性能測試時發(fā)現(xiàn)無 法滿足工業(yè)需要，也即不能修復(fù)裝備銅合金零部件由于嚴(yán)重磨損而引起的大尺度體積損 傷。
[0011] 本發(fā)明的低溫超音速噴涂技術(shù)是以丙烷為主燃?xì)?、壓縮空氣為助燃?xì)狻錃鉃檫€ 原氣體、氮氣為送粉載氣；噴涂的工藝參數(shù)為：空氣壓力為90PSI，丙烷壓力為68~80PSI， 氫氣流量為40L/min，氮氣流量為40L/min，噴涂距離為140mm。
[0012] 當(dāng)丙烷壓力低于68PSI時，噴涂顆粒溫度會降低，不利于顆粒塑性的提高，會導(dǎo)致 涂層結(jié)合強度低、孔隙率高、耐磨性能差等；而當(dāng)丙烷壓力高于80PSI時，噴涂顆粒溫度會 升高，使得涂層產(chǎn)生相變和氧化等問題。丙烷壓力以76PSI最佳。
[0013] 本發(fā)明采用的高鋁青銅粉末為氣霧化高鋁青銅粉末，其粒徑為15ym~45ym，使 用前先在120°C烘箱中烘干3h。該氣霧化高鋁青銅粉末的冷卻速率最高可達106K/s，可抑 制Y2相的生成。
[0014] 本發(fā)明的低溫超音速噴涂技術(shù)在噴涂過程中需要嚴(yán)格控制已沉積涂層的最高溫 度< 205°C，具體控制方法如下：用數(shù)字表面溫度計（AR892實時非接觸紅外測溫儀)實時測 量已沉積涂層的溫度，當(dāng)測量到已沉積涂層的溫度達到200±2°C時，立即停止噴涂，待已沉 積涂層的溫度自然冷卻至100±5°C時再繼續(xù)噴涂。這是因為申請人發(fā)現(xiàn)一旦已沉積涂層的 溫度達到205°C以上，再繼續(xù)噴涂的話，涂層的溫度會很快上升到565°C以上，進而引起相 變，導(dǎo)致涂層軟化，同時，已沉積涂層的溫度達到205°C以上時也容易引起氧化。
[0015] 本發(fā)明具有的積極效果：（1)本發(fā)明采用新型的噴涂技術(shù)，即低溫超音速噴涂技 術(shù)，該噴涂技術(shù)以燃燒溫度相對較低的丙烷/空氣為熱源燃料組合，產(chǎn)生超音速焰流攜帶 噴涂顆粒與基體碰撞，誘發(fā)顆粒產(chǎn)生高塑性畸變并與基體協(xié)調(diào)變形，進而沉積形成涂層。通 過調(diào)整丙烷壓力，可以將焰流溫度穩(wěn)定控制在600~900°C的范圍內(nèi)，明顯低于現(xiàn)有的熱噴 涂技術(shù)。（2)本發(fā)明的低溫超音速噴涂技術(shù)還以氫氣為還原氣體，使其在高溫下奪取金屬 氧化物中的氧，進而降低高鋁青銅顆粒的氧化程度。（3)本發(fā)明采用冷卻速率極高的氣霧 化方法制備的高鋁青銅粉末作為噴涂粉末，將該粉末的優(yōu)良特性原態(tài)移植到高鋁青銅涂層 中，既可以使涂層較原始粉末的結(jié)構(gòu)和性能基本不變或者向有益的方向演化，又能夠抑制 Y2相的生成，為最終得到性能優(yōu)異的高鋁青銅涂層奠定了較好的基礎(chǔ)。（4)盡管本發(fā)明的 低溫超音速噴涂技術(shù)大大降低了焰流溫度，但是，在噴涂過程中仍然存在部分涂層氧化或 者軟化的問題，為此，本發(fā)明經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，通過對已沉積涂層的最高溫度進行控制， 可以使噴涂顆粒的溫度始終低于高鋁青銅材料的相變溫度（565°C以下)，避免了氣霧化高 鋁青銅粉末的氧化和相變，進而避免高鋁青銅材料中0 -a+y2共析轉(zhuǎn)變的發(fā)生。（5)本 發(fā)明的方法最終可以在銅合金基體上制備出大厚度（2. 5~4_)的高鋁青銅涂層，該涂層 具有較好的承受壓應(yīng)力，同時兼具孔隙率低、基本不發(fā)生氧化等特點，這種大厚度的高鋁青 銅涂層不僅能夠修復(fù)因體積損傷而失效的銅合金零部件，而且還能夠提高修復(fù)后的零部件 的耐磨性能。
【附圖說明】
[0016] 圖1為試驗例1測試的銅合金基體及各實施例所制備的高鋁青銅涂層的磨損體積 結(jié)果示意圖。
[0017] 圖2為試驗例2測試的各實施例所制備的高鋁青銅涂層的結(jié)合強度結(jié)果示意圖。
[0018]圖3為試驗例3測試的銅合金基體及各實施例所制備的高鋁青銅涂層的表面/截 面顯微硬度結(jié)果示意圖。
[0019] 圖4為試驗例4測試的氣霧化高鋁青銅粉末及各實施例所制備的高鋁青銅涂層的 XRD圖譜結(jié)果示意圖。
[0020] 圖5為試驗例5測試的各實施例所制備的高鋁青銅涂層的孔隙率與氧元素含量變 化曲線結(jié)果示意圖。
[0021] 圖6為實施例3所制備的高鋁青銅涂層的截面SEM圖。
[0022] 圖7為實施例1所制備的尚錯青銅涂層不意圖。
【具體實施方式】
[0023] (實施例1) 本實施例的用于體積損傷修復(fù)的高鋁青銅涂層見圖7,其厚度為3mm。
[0024] 本實施例的用于體積損傷修復(fù)的高鋁青銅涂層的制備方法如下： ①采用粒徑為15ym~45ym的氣霧化高鋁青銅粉末作為噴涂粉末，并先置于120°C烘 箱中供干3h;待用。
[0025] 本實施例采用的氣霧化高鋁青銅粉末的化學(xué)成分為如下：A1 :13. 30wt%、Fe: 4. 93wt%、Mn:1. 62wt%、Zn:0? 33wt%、Ni:0? 31wt%、Co:5. 49wt%、Cu余量。
[0026] ②對銅合金基體表面進行除油、除銹以及噴砂粗化預(yù)處理，并用丙酮清洗基體表 面。
[0027] 本實施例采用的銅合金基體材料為H62黃銅，尺寸為20mmX20mmX