一种高摩擦系数的Al/氧化铝复合涂层用无缝粉芯丝材及其制备方法

本发明涉及材料加工工程，尤其涉及一种高摩擦系数的al/氧化铝复合涂层用无缝粉芯丝材及其制备方法。

背景技术：

1、我国拥有丰富的海洋资源，海洋作业设备较丰富，其装备表面长期在海洋环境中服役存在着磨损和腐蚀问题。而表面防护涂层是提升设备，尤其是关键部件的可靠性和使用寿命的有效途径之一。因此，面向海洋环境应用的表面涂层要兼具较好的耐蚀性和耐磨性。相比于铁基、镍基等材料，铝基涂层具有更好的耐蚀性且价格相对低廉。因此，铝基涂层在航海领域应用较广。

2、纯铝涂层由于铝电位较负，且铝具有易钝化特征，使得纯铝涂层可以表现出较好的耐蚀性。但是纯铝涂层的硬度及耐磨性不足，限制了其在海洋耐磨耐蚀领域的广泛应用。含al2o3陶瓷颗粒的铝基复合涂层具有耐蚀性强、高耐磨性等优点，尤其增强了涂层的摩擦系数，提高了涂层的耐磨性，在船舶、海上钻井平台等关键装备的表面防护领域具有较好的应用前景。在表面防护涂层的制备技术中，电弧喷涂具有喷涂效率高，工艺可控制性好，操作简单，绿色环保等优点，被广泛应用于海上设备的表面防护涂层的制备。

3、目前应用电弧喷涂技术的材料主要是粉芯丝材，但大部分al/al2o3粉芯丝材是由轧制拉拔方式制备而成，填充率一般不超过32％，并且大多是有缝丝材。而且，由于铝的强度较低、塑性不足等，采用轧制拉拔工艺方式很难制备出高al2o3含量的al/al2o3粉芯丝材。且采用轧制拉拔制备的粉芯丝材会出现漏粉现象，从而导致丝材的致密度较低，电弧喷涂过程中的损失量增大，进而造成涂层中的al2o3陶瓷颗粒含量较低，涂层的摩擦系数和耐磨性受到较大限制。

4、有鉴于此，有必要设计一种改进的高摩擦系数的al/氧化铝复合涂层用无缝粉芯丝材及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高摩擦系数的al/氧化铝复合涂层用无缝粉芯丝材及其制备方法，通过采用铝合金粉末和多尺度的al2o3陶瓷粉末混合，能够得到具有致密度高、导热性好、均匀性好的粉芯丝材，进而提高电弧喷涂涂层的耐磨性。

2、为实现上述目的，本发明提供一种无缝粉芯丝材，包括外皮和粉芯，所述粉芯包括粒径在15～75μm的铝合金粉末以及粒径分别在15～75μm和350～420μm的氧化铝陶瓷粉末，且所述粉芯中氧化铝陶瓷粉末的总含量≥20wt％。本发明通过改变粉芯中al2o3陶瓷粉末的含量及其粒径大小，提高粉芯的致密度及均匀性，进而有效提升丝材的喷涂工艺和涂层性能，尤其可提高涂层的耐磨性。

3、优选地，粉芯丝材通过旋锻工艺得到，从而保证高填充率及al2o3陶瓷粉末的高含量，进而提高电弧喷涂涂层中al2o3陶瓷粉末的含量，且涂层均匀性和致密性也得到提高。其中，粒径范围为15～75μm的粉末在旋锻过程中无漏粉现象，且铝合金粉末和al2o3陶瓷粉末均为球形度较好的粉末，其流动性能好，有助于得到填充率高的粉芯丝材，进而提高al2o3陶瓷粉末的含量。

4、进一步的，所述粉芯中氧化铝陶瓷粉末的总含量为30-95wt％，例如为38wt％、43wt％、55wt％、60wt％、70wt％、80wt％、85wt％等，优选为50-70wt％，更优选为55-65％。氧化铝陶瓷粉末虽然可提高涂层的耐磨性，但其含量过高时，不利于涂层结合强度的提高，因此需要同时保证铝合金粉末的含量，以使得在电弧喷涂过程中，利用铝合金粉末的熔融粘结作用，提高涂层的成形性，及与基体的结合强度。

5、进一步的，所述粉芯中15～75μm和350～420μm的氧化铝陶瓷粉末的质量比为(0.6-1.7)：1，优选为(0.8-1.2):1，更优选为1:1。通过控制氧化铝陶瓷粉末的总含量以及两种粒径的各自含量，能够对粉芯的致密性和成形性进行调控，从而实现电弧喷涂涂层性能的最优化。

6、进一步的，所述粉芯丝材的填充率为40-50％，优选为45-50％。填充率是指粉芯丝材中粉芯的质量含量，本发明通过旋锻加工，能够实现高填充率的粉芯丝材制备，且旋锻过程中粉芯的损失量小。

7、进一步的，所述铝合金粉末为铝含量在85-95wt％的铝合金粉末，所述铝含量优选为88-92wt％；例如选用alsi10mg粉末。

8、优选地，所述外皮为纯度大于99.9％的al管，例如1060半硬铝管。

9、在一些优选实施方式中，所述粉芯以质量百分比计，包括以下组分：20～35％的所述15～75μm al2o3陶瓷粉末，20～35％的所述350～420μm al2o3陶瓷粉末；余量为所述alsi10mg粉末。

10、本发明还提供一种无缝粉芯丝材的制备方法，采用工业纯铝管包裹粉芯并经旋转锻造得到。通过旋锻减径工艺，有助于保证粉芯填充率，进而保证al2o3陶瓷粉末的含量。本发明在此工艺下，进一步调控铝合金粉末和al2o3陶瓷粉末的相对含量，从而优化粉芯丝材的成形性和喷涂工艺性，进而提高电弧喷涂得到的涂层的耐磨性。

11、进一步的，将粒径在15～75μm的铝合金粉末以及粒径分别在15～75μm和350～420μm的氧化铝陶瓷粉末混合均匀后，填充至所述工业纯铝管中，两端封口，获得初始直径的粉芯丝材；然后将初始直径的粉芯丝材进行旋转锻造处理，得到直径为3.0±0.1mm的粉芯丝材。小粒径粉末可以填充进大粒径粉末的缝隙中，并且经过旋锻后，粉芯丝材中粉末的分布更加均匀且紧实，进一步提升了粉末的致密度，且通过电弧喷涂制备出的涂层摩擦系数高。其中，粒径在15～75μm和350～420μm的氧化铝陶瓷粉末可通过两次过筛得到此范围的氧化铝陶瓷粉末。

12、进一步的，所述旋转锻造的减径道次为8～14道；和/或，所述粉芯丝材的总变形量为90％～97％；总变形量＝(初始丝材的截面面积-最终丝材的截面面积)/初始丝材的截面面积。通过减径道次和变形量调控，能够对粉芯丝材的加工性进行优化。

13、优选地，所述工业纯铝管为纯度大于99.9％的al管。

14、本发明还提供一种al/al2o3复合涂层，采用以上任一项所述的无缝粉芯丝材，或以上任一项所述的制备方法得到的粉芯丝材经电弧喷涂得到。

15、优选地，所述电弧喷涂的电压为30～40v，电流为100～200a、喷涂压力为0.4～0.8mpa，喷涂距离为100～200mm。喷涂前对q235基体进行喷砂处理，用压缩空气将喷砂后的基体吹干净。将粉芯丝材送入喷涂设备中，调配好喷涂的参数，进行喷涂。

16、进一步的，所述al/al2o3复合涂层的摩擦系数大于1.30，且摩擦磨损失重小于42.1×10-4g。

17、综上所述，本发明制备的粉芯丝材具有致密度高、导热性好、均匀性好等优点，制备出的含al2o3陶瓷颗粒的铝基涂层具有成分均匀、高摩擦系数等优点。

18、本发明的有益效果如下：

19、1、本发明提供的无缝粉芯丝材，通过将铝合金粉末和多尺度的al2o3陶瓷粉末混合，能够得到具有致密度高、导热性好、均匀性好的粉芯丝材，为后续电弧喷涂等应用提供有利条件。

20、2、本发明制备的粉芯丝材填充率高，al2o3陶瓷粉末的高含量得到保障，远高于同等含量的轧制拉拔丝材。

21、3、采用本发明得到的粉芯丝材进行电弧喷涂，得到的al/al2o3复合涂层具有高摩擦系数和优异的耐磨性，涂层的干摩擦系数超过1.30，且摩擦磨损失重小于42.1×10-4g。