一种镁合金表面冷喷涂420不锈钢复合涂层的制备方法与流程

本发明属于材料表面涂层技术领域，尤其涉及一种镁合金表面冷喷涂420不锈钢复合涂层的制备方法。

背景技术：

镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，大量应用高性能镁合金材料是实现军、民高端装备轻量化的重要途径之一。但镁合金的硬度较低，耐磨性、耐腐蚀性及耐高温性较差，这在一定程度上制约了镁合金材料的广泛应用。因此，对镁合金基体材料进行表面处理，制备磨损和腐蚀防护涂层，以提高镁合金的耐磨、耐腐蚀等综合性能，已成为当今镁合金材料研究和发展的热点。目前，镁合金采用的表面涂层处理工艺主要有化学转化、阳极氧化、微弧氧化、气相沉积、粒子注入、化学镀及电镀等。然而，这些方法在处理条件、膜层结构、环境保护、经济成本等方面存在诸多缺陷，寻找一种既经济环保又高效可行的镁合金表面涂层技术，对进一步拓展镁合金的应用范围具有重大的意义。

冷喷涂技术是近几年来发展起来的新型表面涂层技术，已经成功实现了高质量金属、陶瓷及金属陶瓷的制备。在冷喷涂过程中，喷涂粉末粒子在非氧化性气流束中加速，依赖高的速度和动能形成低氧化物含量、低内应力、高硬度、大厚度涂层。与传统热喷涂相比，冷喷涂在低于粉末粒子熔点的温度条件下形成涂层。因此，减小甚至消除了如高温氧化，相变结晶、残余拉应力等传统热喷涂方法中存在的有害因素，已成为在镁合金表面制备耐磨、防腐涂层最有效的方法之一。目前，关于冷喷涂技术在镁合金表面制备耐磨耐蚀涂层的研究在国内尚处于起步阶段。

不锈钢材料具有高硬度、高耐磨性、优良的耐蚀性等优点，在实际生产应用中具有重要的意义。420不锈钢作为一种马氏体不锈钢，既有较好的耐腐性，又具有较高的硬度和优良的耐磨性，被广泛应用于零件尺寸的恢复和材料表面性能强化。目前，不锈钢涂层的制备工艺主要有热喷涂、激光熔覆、电弧喷涂等。然而，这些制备工艺通常存在制备温度高、底材热影响区和氧化明显等问题，大大限制了其在镁合金表面强化领域的广泛应用。冷喷涂技术则可以消除上述制备工艺的诸多缺点，在制备镁合金表面不锈钢涂层方面具有明显的优势。目前，尚未见到关于冷喷涂技术在镁合金表面制备420不锈钢及其复合涂层的报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种镁合金表面冷喷涂420不锈钢复合涂层的制备方法，制备的复合涂层结构致密均匀、孔隙率低、硬度高，与基体材料结合牢固，具有良好的耐蚀性和抗磨性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种镁合金表面冷喷涂420不锈钢复合涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按照配比称取420不锈钢粉末95～40wt％、硬质增强相材料粉末5～60wt％。，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后制得喷涂粉末；

2)依次对镁合金基材表面进行丙酮清洗和喷砂粗化处理；

3)将步骤1)制备的喷涂粉末装入冷喷涂设备的送粉器中，再将经过步骤2)处理后的镁合金基材固定在喷涂夹具上，设定喷涂工艺参数后，用冷喷涂工艺在镁合金基材表面制备420不锈钢复合涂层。

作为改进，所述增强相材料为SiC、Al₂O₃、TiC、WC-12Co、WC-17Co、WC-CoCr或WC-NiCr中的一种或几种，硬质增强相材料粉末为球形形貌或不规则形貌，粒径为5～30μm。

作为改进，所述420不锈钢粉末为球形形貌，粒径为5～50μm。

再改进，所述步骤2)中喷砂粗化处理的的工艺参数为：喷砂压力为0.3～1.0MPa，喷砂时间为10～30s，喷砂用砂丸目数为40～200目。

进一步改进，所述步骤3)中的冷喷涂是指用冷喷涂设备，通过喷枪的高速气流将制备的喷涂粉末沉积在镁合金基材上，得到420不锈钢复合涂层，其具体的冷喷涂参数为：工作气体为氦气或氮气，喷涂压力为2.5～3.5MPa，温度为500～800℃，喷涂距离为20～40mm，喷枪移动速度为50～400mm/s，送粉速率为1～5kg/h，喷涂角度为70～90°。

最后，所述步骤3)的420不锈钢复合涂层厚度控制在0.2mm～2.0mm之间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用冷喷涂技术，工艺简单，易操作，制备的冷喷涂420不锈钢复合涂层是一种单层结构涂层，以420马氏体不锈钢作为涂层的基础相，充分保证了涂层的耐磨和耐蚀性能，同时加入硬质增强相材料，可以进一步实现其抗腐蚀、耐磨性能的优化结合；涂层厚度控制在0.2mm～2.0mm之间，涂层结合强度在55～80MPa之间，涂层的显微硬度在450～850HV之间，涂层与Si₃N₄球配副的平均摩擦系数为0.6～0.75，涂层的磨损率在1×10^-6mm³/N·m～2×10^-5mm³/N·m之间。本发明制备的复合涂层结构致密、孔隙率低、硬度高，与基体材料结合强度高，涂层具有良好的抗蚀性，且耐磨性能大幅提高，是镁合金及其构件表面耐腐蚀、耐磨损的优良防护涂层。

附图说明

图1是本发明提供的实施例1中420不锈钢/WC-12Co复合涂层的截面电镜形貌；

图2是本发明提供的实施例2中420不锈钢/SiC复合涂层的截面电镜形貌；

图3是发明提供的实施例3中420不锈钢/Al₂O₃复合涂层的截面电镜形貌。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

A：称取420不锈钢粉末500g，粒径为5～30μm，粉末形貌为球形；称取WC-12Co粉末500g，粒径为5～30μm，粉末形貌为球形，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末。

B：依次对镁合金基材表面进行丙酮清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基材，喷砂压力为1.0MPa，喷砂时间为30s，喷砂用砂丸目数为200目。

C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的镁合金基材固定在在喷涂夹具上，用冷喷涂工艺制备420不锈钢/WC-12Co复合涂层，其具体的喷涂参数为：工作气体为氦气，喷涂压力为3.0MPa，温度为600℃，喷涂距离为20mm，喷枪移动速度为200mm/s，送粉速率为2kg/h，喷涂角度为90°。

本实施例所制备的420不锈钢/WC-12Co复合涂层微观显微组织如图1所示，从图中可以看出，复合涂层结构致密、组织分布均匀，涂层的厚度为700um。通过材料力学试验机测得涂层的结合强度为58MPa。通过显微硬度计测得涂层的显微硬度为800HV。采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨损率。表1给出的是涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率。可以看出，涂层在不同的赫兹接触应力下的磨损率都在10^-6量级，表现出优异的耐磨性能。

表1 420不锈钢/WC-12Co涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率

实施例2

A：称取420不锈钢粉末400g，粒径为5～30μm，粉末形貌为球形；称取SiC粉末100g，粒径为5～30μm，粉末形貌为不规则形貌，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末。

B：依次对镁合金基材表面进行丙酮清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基材；喷砂压力为0.3MPa，喷砂时间为10s，喷砂用砂丸目数为40目。

C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的镁合金基材固定在喷涂夹具上，用冷喷涂工艺制备420不锈钢/SiC复合涂层，其具体的喷涂参数为：工作气体为氮气，喷涂压力为3.5MPa，温度为700℃，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为400mm/s，送粉速率为5kg/h，喷涂角度为90°。

本实施例所制备的420不锈钢/SiC复合涂层微观显微组织如图2所示，从图2中可以看出，复合涂层结构致密、组织分布均匀，涂层的厚度为500um。通过材料力学试验机测得涂层的结合强度为46MPa，通过显微硬度计测得涂层的显微硬度为740HV，采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨损率。表2给出的是涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率。可以看出，涂层在不同的赫兹接触应力下都具有优异的耐磨性。

表2 420不锈钢/SiC涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率

实施例3

A：称取420不锈钢粉末1.5kg，粒径为5～30μm，粉末形貌为球形；称取Al₂O₃粉末500g，粒径为5～30μm，粉末形貌为不规则形貌，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末。

B：依次对镁合金基材表面进行丙酮清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基体，喷砂压力为0.5MPa，喷砂时间为10s，喷砂用砂丸目数为40目。

C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的镁合金基材固定在喷涂夹具上，用冷喷涂工艺制备420不锈钢/Al₂O₃复合涂层；其具体的喷涂参数为：工作气体为氮气，喷涂压力为2.5MPa，温度为800℃，喷涂距离为20mm，喷枪移动速度为50mm/s，送粉速率为2kg/h，喷涂角度为90°。

本实施例所制备的420不锈钢/Al₂O₃复合涂层微观显微组织如图3所示，从图3中可以看出，复合涂层结构致密、组织分布均匀，涂层的厚度为1.0mm。通过材料力学试验机测得涂层的结合强度为55MPa，通过显微硬度计测得涂层的显微硬度为760HV，采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨损率。表3给出的是涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率。可以看出，涂层在不同的赫兹接触应力下都具有优异的耐磨性。

表3 420不锈钢/Al₂O₃涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率

实施例4

A：称取420不锈钢粉末1.2kg，粒径为30～50μm，粉末形貌为球形；称取TiC粉末800g，粒径为5～30μm，粉末形貌为不规则形貌，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末。

B：依次对镁合金基材表面进行丙酮清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基体，喷砂压力为0.5MPa，喷砂时间为30s，喷砂用砂丸目数为100目。

C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的镁合金基材固定在喷涂夹具上，用冷喷涂工艺制备420不锈钢/TiC复合涂层；其具体的喷涂参数为：工作气体为氮气，喷涂压力为3.5MPa，温度为600℃，喷涂距离为20mm，喷枪移动速度为200mm/s，送粉速率为2kg/h，喷涂角度为90°。

本实施例所制备的420不锈钢/TiC复合涂层结构致密、组织分布均匀，涂层厚度为1.2mm。通过材料力学试验机测得涂层的结合强度为60MPa，通过显微硬度计测得涂层的显微硬度为780HV，采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨损率。表4给出的是涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率。可以看出，涂层在不同的赫兹接触应力下都具有优异的耐磨性。

表4 420不锈钢/TiC涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率

实施例5

A：称取420不锈钢粉末500g，粒径为30～50μm，粉末形貌为球形；称取WC-CoCr粉末250g，粒径为5～30μm，粉末形貌为球形，称取WC-NiCr粉末250g，粒径为5～30μm，粉末形貌为球形，将上述三种种粉末置于机械混料机中混合后得到喷涂粉末。

B：依次对镁合金基材表面进行丙酮清洗和喷砂粗化处理，得到处理好的基体，喷砂压力为0.5MPa，喷砂时间为20s，喷砂用砂丸目数为100目。

C：将步骤A制备的喷涂粉末装入送粉器中，再将经过步骤B处理后的镁合金基材固定在喷涂夹具上，用冷喷涂工艺制备420不锈钢/WC-CoCr/WC-NiCr复合涂层；其具体的喷涂参数为：工作气体为氮气，喷涂压力为3.0MPa，温度为700℃，喷涂距离为25mm，喷枪移动速度为200mm/s，送粉速率为1kg/h，喷涂角度为90°。

本实施例所制备的420不锈钢/WC-CoCr/WC-NiCr复合涂层结构致密、组织分布均匀,涂层厚度为600um。通过材料力学试验机测得涂层的结合强度为61MPa，通过显微硬度计测得涂层的显微硬度为790HV，采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨损率。表5给出的是涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率。可以看出，涂层在不同的赫兹接触应力下都具有优异的耐磨性。

表5 420不锈钢/WC-CoCr/WC-NiCr涂层与Si₃N₄球配副的摩擦系数和磨磨损率