一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种冷喷涂侣基自润滑耐磨蚀涂层及其制备方法，属于金属表面处理
技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国深海大型油气田的勘探与开发，深海钻机、钻采平台、浮式生产储卸装置 的应用将日益广泛。运些海洋工程装备的上层建筑在服役过程中不仅面临着严苛的海洋大 气腐蚀环境，而且还遭受着高速、强摩擦等特殊环境，由此造成的磨损和腐蚀失效问题异常 突出，给装备的长周期安全运行带来巨大风险。因此，迫切需要提高设备的耐磨、耐蚀性能。
[0003] 在改善材料表面耐磨损及耐腐蚀性能的众多手段中，喷涂金属防护涂层是延长海 洋油气装备使用寿命的重要措施之一。目前，常用的金属防护涂层多采用热喷涂、电锻、化 学锻W及等离子体微弧氧化等工艺制备获得，虽然运些方法都能起到一定的防护作用，但 运些技术自身都存在一些缺陷：由于热喷涂过程需要使用高溫电弧、火焰、等离子体等高溫 热源，将喷涂粉末或线材加热到烙融或半烙融状态，容易使喷涂材料发生相当程度的相变、 氧化和晶粒长大等现象，进而造成制备涂层的高孔隙、高含氧量、高热应力等缺陷；电锻和 化学锻方法制备出来的锻层较薄，不够致密，附着力差，不仅制备工艺复杂困难，而且一些 含重金属盐的锻液对人类健康及环境造成了威胁。等离子体微弧氧化耗能高，设备昂贵，不 适合大规模生产。因此，寻找新的喷涂工艺方法，在海洋平台、钻机、在线生产储卸装置等海 洋构筑物上制备防护涂层是非常必要的。
[0004] 冷喷涂技术，又称冷气动力学技术(Cold Gas Dynamic Spray,简称CGDS)，是由前 苏联西伯利亚分院的科学家提出的一种新型喷涂技术。根据喷涂压力的不同，可分为两大 类:低压冷喷涂技术和高压冷喷涂技术。冷喷涂方法主要是指利用压缩超声速气流(300~ 1200m/s)将具有一定塑性的细小固体粒子喷射到金属或绝缘基体表面，经过强烈的塑性变 形而发生沉积，形成涂层的方法。在冷喷涂过程中，由于喷涂溫度较低(0~700°C)，喷涂材 料很难发生氧化、晶粒变大、相变等现象，能够较好地保留原始材料的性质。同时，冷喷涂过 程由于工艺溫度降低，固体粒子主要依靠提高动能导致的塑性变形沉积，颗粒变形较为充 分，冷喷涂方法制备出来的涂层要比常规的热喷涂涂层组织结构致密、热影响残余应力低， 能更好地对海洋油气装备的上层建筑行长效防护。
[0005] 在所有的金属材料中，金属侣及其合金颗粒因其较低的屈服强度、良好的塑性变 形能力W及优秀的耐腐蚀性能，被公认为比较理想的冷喷涂材料。金属侣涂层已被广泛用 做钢铁构件的防腐蚀涂层，它作为一种阳极型涂层，不仅具有屏蔽腐蚀介质的作用，使之无 法与基体发生反应，而且还可W作为牺牲阳极材料，为钢铁基体提供阴极保护，保护钢铁基 体免受腐蚀。
[0006] 众所周知，侣涂层表面可W形成惰性的氧化物薄膜，其耐蚀性取决于保护膜的完 好程度和破裂后的自修复能力。而侣涂层在海洋环境中的惰性或纯态是不稳定的，易产生 局部腐蚀而导致涂层体系失效，且侣涂层自身也存在强度和硬度较低的缺点，难W保证装 备的长效安全和服役可靠性。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种冷喷涂侣基自润滑耐磨蚀涂层，通过添加硬质相 (Al2〇3陶瓷颗粒）、润滑剂(MoS2和/或WS2)和微量合金元素(Al/Mg、Al/RE)对现有侣涂层进 行改性，旨在提高新涂层的润滑耐磨蚀性能;本发明同时提供所述涂层的制备方法。
[0008] 一种冷喷涂侣基自润滑耐磨蚀涂层，所述涂层包含A1和AI2O3W及M，所述Μ为侣稀 ±(A1/RE)合金和/或侣儀(Al/Mg)合金与二硫化钢(MoS2)和/或二硫化鹤(WS2)的组合;所述 八1和412〇3中，412〇3体积占比乂为28-32%;所述涂层中，1的质量总占比￥为0.96%~ 70.08%;所述涂层结构表述为：^1-乂乂〇1%412〇3)-￥巧*%1涂层。
[0009] 进一步地，当Μ为侣稀±合金与二硫化钢(MoS2)和/或二硫化鹤(WS2)的组合时，控 制RE元素在涂层中的质量总占比为0.003%-5.08%，MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比 为0.003%~10.08%。
[0010] 进一步地，当Μ为侣儀合金与二硫化钢(MoS2)和/或二硫化鹤(WS2)的组合时，控制 Mg元素在涂层中的质量总占比为0.003%-5.08%，MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比为 0.003%~10.08%。
[0011] 进一步地，当Μ为侣稀±合金和侣儀合金的混合物与二硫化钢(MoS2)和/或二硫化 鹤(胖52)的组合时，控制36元素和]\%元素的质量之和在涂层中的总占比为0.003%-5.08%， RE元素和Mg元素的质量比值为1:1-3，MoS2和/或WS2在涂层中的质量总占比为0.003 %~ 10.08%。
[001 ^ 进一步地，当Μ中MoS2和WS2并存时，二者的质量之和在涂层中的总占比为0.003% ~10.08%且优选齡52和胖52的质量比为3-9:1。
[0013]所述侣稀±(A1/RE)合金中，RE元素质量分数< 10%，优选稀±的质量占比为 0.1%-2.0% ;所述侣儀(Al/Mg)合金中，Mg元素质量分数< 10%，优选儀的质量占比为 2.5%-4.0%。
[0014] 所述涂层中，控制杂质的质量含量小于0.70%;所述杂质主要有Si、Ti、KJeXu。
[0015] 所述冷喷涂侣基自润滑耐磨蚀涂层的制备方法，包括W下步骤：
[0016] (1)选择基体，对其表面进行除油处理并清洗干净；
[0017] (2)将A1粉和Al2〇3粉按照Al2〇3粉体积占比28-32%的比例配制，机械混合均匀，然 后再加入Μ粉，机械混合均匀，得到喷涂粉；
[0018] (3)将步骤(2)得到的喷涂粉在真空条件下烘干；
[0019] (4) W压缩空气和/或惰性气体作为工作气体，进行喷涂，喷涂压力为0.6-0.8Mpa， 喷涂溫度为200°C~400°C，喷涂距离为15~36mm，送粉速率为20~40g/min，喷枪的横向移 动速度为10~30mm/s，得到所述的冷喷涂侣基自润滑耐磨蚀涂层。
[0020] 所述步骤(1)中，所述基体为低碳钢或合金钢。
[0021] 所述步骤(2)中，所述侣粉的粒径为10~30皿，优选球形，所述氧化侣粉的粒径为 20~40μπι，所述Μ粉的粒径为5~50μπι，其中优选侣稀±合金粉的粒径为5-30μπι，优选侣儀合 金粉的粒径为15-35皿。
[0022] 所述步骤(2)中，侣粉中Α1的质量分数(纯度）> 99.0%，氧化侣粉中Α?2〇3的质量分 数(纯度）含99.0%，优选MoS2的质量分数(纯度）含98%，WS2的质量分数(纯度）含98%。
[0023] 所述步骤(3)中，优选喷涂粉末在85-95°C的真空干燥箱中烘干25-35min。
[0024] 所述步骤(4)中，优选喷涂溫度为300°C。
[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0026] 1、本发明所述冷喷涂侣基自润滑耐磨蚀涂层，制备工艺简单，操作方便，原材料便 宜易得，设备便携，适用于野外保养及修复。
[0027] 2、本发明制得的自润滑耐磨蚀涂层表面致密光滑，孔隙率低，具有良好的机械性 能。
[0028] 3、本发明制得的自润滑耐磨蚀涂层具有优异的耐磨损和耐局部腐蚀性能，克服了 侣涂层自身存在硬度、强度低的缺陷，本发明不仅可为新型金属基耐磨、耐蚀复合涂层的设 计和制备提供科学依据及研究基础，还可为深海油气工程装备的长周期安全服役提供一种 可靠的防护技术。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明所述涂层的制备流程图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明所述冷喷涂侣基自润滑耐磨涂层的制备流程图如图1所示，主要包括:送粉 器(powder f eeder )、加热器(gas heater)和喷嘴(nozz 1 e)。W下通过实施例来说明本发明 所述冷喷涂侣基自润滑耐磨蚀涂层的制备方法。
[0031] 实施例1
[0032] 所述冷喷涂侣基自润滑耐磨蚀涂层的制备方法，包括W下步骤：
[0033] (1)选择厚度为3mm的Q235碳钢作为基体，对其表面进行喷砂、除油处理，然后用丙 酬、无水乙醇进行超声波清洗干净，清洗、干燥后用试样袋封装好，避免表面氧化；
[0034] (2)将A1粉(粒径ΙΟμπι的球形）和Al2〇3粉(粒径为2化m)进行机械混合均匀，其中 Al2〇3粉体积占比为30%;然后再加入侣稀±合金粉(粒径为?ομπι)与MoS2粉(粒径30μπι)的混 合粉，机械混合均匀，侣稀上加入量占总质量的3.5 %，稀±元素占总质量的0.1 %，MoS2占 总质量的2 %，得到喷涂粉；
[0035] (3)将步骤(2