專利名稱：一種鎂鋁異種金屬涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域，涉及異種金屬涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
熱噴涂技術(shù)是80年代末發(fā)展起來的一種噴涂方法，是一種材料表面強化和表面改性技術(shù)，該技術(shù)具有高效率、低成本、操作簡單等特點。 當(dāng)前熱噴涂技術(shù)的研究已經(jīng)由噴涂相同材質(zhì)金屬絲材或粉體，向噴涂異種金屬、制備合金或偽合金復(fù)合涂層發(fā)展。異種金屬的合金或偽合金涂層能夠?qū)崿F(xiàn)異種金屬性能的互補，降低對基材表面光潔度的要求，具有較強的抗腐蝕性能，綜合性能較單一涂層優(yōu)異。專利申請"大功率電弧鋅、鋁偽合金熱噴涂方法"(申請?zhí)?00510028362. 2)提出用鋅、鋁兩種絲材，采用電弧噴涂技術(shù)制備具有耐腐蝕性能的鋅鋁偽合金涂層；專利申請"一種用電弧噴涂制備異種金屬涂層的方法"(申請?zhí)?00810046876. 4)提出，通過調(diào)整不同熔點金屬絲材的送絲輪直徑，制備出特定工藝性能的合金或假合金涂層。 在目前已制備應(yīng)用的單一金屬涂層以及異種金屬涂層中，腐蝕電位較低的有純鋁涂層、純鋅涂層、鋅鋁涂層，這些涂層可以對鐵、鎳等腐蝕電位較高的金屬具有陰極保護作用，但這類涂層的腐蝕電位與鋁合金和鋅合金比較接近，因此對鋁合金、鋅等低腐蝕電位金屬不具備陰極保護作用。鋁及其合金在大氣中可以產(chǎn)生致密的氧化膜，具有良好的耐腐蝕性能，但在海洋環(huán)境下，具有極強穿透能力的氯離子能夠破壞鋁合金表面的氧化膜，產(chǎn)生點蝕，造成鋁合金結(jié)構(gòu)件的失效，因此鋁合金在海洋環(huán)境下的腐蝕防護已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的重要方向之一。 鎂的電極電位極低，從腐蝕電位角度看，是一種良好的犧牲陽極保護材料，不但對鋼鐵能起到有效的陰極保護作用，而且是目前唯一一種可以對鋁及鋁合金提供陰極保護的具有廣泛工業(yè)應(yīng)用前景的金屬。目前鎂及其合金作為犧牲陽極，大多采用大尺寸的塊體材料，但由于其自身的耐腐蝕性能極差，不能滿足作為犧牲陽極的長期使用要求。為提高鎂及鎂合金的腐蝕壽命，一些研究將鎂粒子填充至有機導(dǎo)電涂料中，制備對鋁合金有陰極保護作用的鎂富集樹脂涂層，但由于樹脂等有機涂層的硬度以及耐磨性較差，使其應(yīng)用受到極大的限制。既有較高腐蝕壽命，又有較低腐蝕電位的金屬涂層仍為人們的研究方向。
國內(nèi)外在研究鎂合金耐蝕性時發(fā)現(xiàn)，鎂合金中存在的鎂鋁間金屬化合物不僅具有較高的硬度，同時具有良好的耐腐蝕性能，但還沒有提出制備含有大量鎂鋁金屬間化合物的方法，也沒有將其與熱噴涂涂層的制備相聯(lián)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是提供一種鎂鋁異種金屬涂層及其制備方法，該涂層不僅對鋼、鐵等高腐蝕電位金屬有陰極保護作用，而且對鋁、鋅等低腐蝕電位金屬也有理想的陰極保護作用，并具有較好的耐腐蝕性。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
—種鎂鋁異種金屬涂層，其特征在于，是采用以鎂絲和鋁絲為兩電極的電弧噴涂， 或采用以顆粒度為0. 2-100 i！ m的鎂粉和鋁粉為原料的等離子噴涂或超音速火焰噴涂得到 的，涂層的成分及其重量比為Mg5. 5% 40. 0%、A155. 0% 93. 0%、其它《10%，將噴涂 得到的涂層在200°C 47(TC溫度下熱處理30 150分鐘后，涂層中含有鎂鋁金屬間化合 物Al^Mgn和Al3Mg2。 該鎂鋁異種金屬涂層的制備方法為，當(dāng)采用電弧噴涂時，將鎂絲和鋁絲作為電弧
噴涂的兩電極，鎂絲和鋁絲的直徑比為i : i i : 3，噴涂時送絲速度相同；當(dāng)采用等離
子噴涂或超音速火焰噴涂時，將顆粒度為O. 2-100 ym的鎂粉和鋁粉按l : 1 1 : 9的體
積混合后送入焰流高溫區(qū)。 上述的鎂絲可以是純度為99. 7%及以上的高純度鎂絲，也可以是各成分及其重量 比為Mg 91.0 97. 0%、 Al 3. 0 9. 0%、其他雜質(zhì)《0. 3%的鎂合金絲；鋁絲的純度為 99. 7%及以上、鎂粉和鋁粉的純度為99. 9%及以上效果較好。 不同的鋁鎂含量比例，對涂層的性能影響不同，鋁含量越高，涂層耐腐蝕性能越 高，但涂層的電極電位也有一定的提高；鎂含量越高，涂層的電極電位相對較低，有利于實 現(xiàn)對鋁合金、鋅等低腐蝕電位金屬的陰極保護，但涂層耐腐蝕性能降低。由于鎂、鋁兩種金 屬的熔點相差不大(分別為65rC和660°C )，可以直接按涂層所需的鋁鎂含量比，設(shè)置原料
鎂、鋁的體積比。當(dāng)采用電弧噴涂時，選擇兩電極鎂絲和鋁絲的直徑比為i : i i : 3，在 送絲速度相同的情況下，鎂、鋁噴涂量的體積比為i : i i : 9;當(dāng)采用等離子噴涂或超 音速火焰噴涂時，將鎂粉和鋁粉按i : i i : 9的體積比混合后通過送粉系統(tǒng)送入焰流 高溫區(qū)。這樣可以通過原料的配比準(zhǔn)確控制和調(diào)整涂層的鎂、鋁含量。例如當(dāng)原料鎂、鋁體
積比為l : 1時，涂層中的成分及其重量比為Mg35 40%、A158 62%、其它成分(主要 是氧)約2 10%。 為進一步提高涂層性能，可以將噴涂得到的鎂鋁異種金屬涂層在20(TC 47(rC 溫度下熱處理30分鐘 150分鐘。經(jīng)過熱處理，涂層中的元素發(fā)生進一步擴散反應(yīng)，通過 對涂層的成分進行XRD檢測，發(fā)現(xiàn)生成大量的鎂鋁金屬間化合物Al12Mg17和Al3Mg2，提高了 涂層的耐腐蝕性能和硬度。 經(jīng)熱處理后，可以采用環(huán)氧樹脂對涂層進行封孔處理，也可以采用硅酸鹽或磷酸 鹽為主電解液，并采用陰極環(huán)氧電泳漆，對涂層進行微弧氧化和電泳復(fù)合處理，使涂層獲得 良好的封閉，進一步提高綜合性能及使用壽命。 為使涂層具有較好的表面粗糙度，低氣孔率，噴涂時可采用以下工藝參數(shù)
電弧噴涂電壓26 30V、電流80A 200A、噴涂距離150 200mm、空氣壓力0. 5 0. 8Mpa ; 等離子體弧電流300 600A、電壓30 80V、Ar流量30 100L/min、H2流量4 10L/min、送粉率2. 5 7. 5Kg/h、噴涂距離100 200mm ;超音速火焰噴涂燃氣壓力0. 20 0. 50Mpa、助燃氣壓力0. 20 1. 00Mpa、送粉氣 壓力0. 20 0. 60Mpa、送粉率1. 5 5. 5Kg/h、噴涂距離100 200mm。
本發(fā)明涂層對鋼鐵以及電極電位較低的鋁、鋅等金屬具有良好的陰極保護作用。 例如在5XNaCl溶液中，本發(fā)明涂層電極電位較鋁低0. 3mV以上，可以實現(xiàn)對金屬鋁的陰極 保護。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)鎂、鋁送絲直徑或者粉末比例，能快速實現(xiàn)涂層成分的調(diào)整，達到調(diào)節(jié)涂層性能的目的。涂層中的鋁成分對于涂層中的鎂起到了耐腐蝕阻擋層的作用，因此本 發(fā)明涂層的耐腐蝕性能與鎂涂層相比有顯著的提高；經(jīng)過后續(xù)熱處理可獲得大量鎂鋁金屬 間化合物，能進一步提高涂層的硬度及耐腐蝕性能。再經(jīng)過有機樹脂封孔，或微弧氧化和電 泳復(fù)合處理，獲得良好的封閉體系，可使涂層具有更廣的使用范圍。本發(fā)明操作簡單、成本 低、效率高，適用于生產(chǎn)。


圖1為電弧噴涂法制備鎂鋁異種金屬涂層裝置示意圖。 圖中1為鎂絲，2為鋁絲，3為壓縮空氣，4為導(dǎo)電嘴，5為送絲輪 圖2為熱處理后的鎂鋁異種金屬涂層XRD衍射圖譜。 通過將XRD衍射圖譜的各主峰值與可能產(chǎn)物的特征譜線進行對比分析，發(fā)現(xiàn)XRD 衍射圖譜的主峰值幾乎都與鎂鋁金屬間化合物的特征峰值譜線相吻合，只有少數(shù)峰值為未 完全反應(yīng)的鋁和氧化物。由此可以判斷通過熱處理之后的涂層主要是由Al3Mg2和Al12Mg17 等鎂鋁金屬間化合物組成。
具體實施例方式
實施例1鋁合金表面電弧噴涂制備鎂鋁異種金屬涂層 選用鋁硅系鑄造合金ZL102作為待防護基體，表面采用30目氧化鋁顆粒進行噴砂 處理，清除表面氧化物以及污垢，達到適宜噴涂的清潔度和粗糙度。 噴涂電極采用鎂含量在99. 7%以上的高純度鎂絲和鋁含量為99. 7%以上的高純 度鋁絲，直徑均為2. Omm。 用DPT302型高速電弧噴涂機，電弧噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓28V，電流150A，噴 涂距離150mm，空氣壓力0. 6MPa。 如圖1所示，將鎂絲1和鋁絲2作為兩電極，通過送絲輪5控制分別進入導(dǎo)電嘴 4，鎂絲和鋁絲接觸后引弧熔化，利用壓縮空氣3將熔融狀態(tài)的鎂鋁顆粒噴射到待防護基體 上，采用上述工藝參數(shù)，在鋁合金基體表面制備出結(jié)合強度高、涂層組織致密的鎂鋁金屬涂 層。該涂層的成分及其重量比為Mg36 40X、A158 62X、其它2 10% (主要為氧元 素)。 用真空熱處理爐將涂層進行30(TC保溫120分鐘的熱處理。熱處理后涂層的XRD
衍射圖譜見圖2，根據(jù)XRD檢測，涂層組織中富含Al12Mg17相和Al3Mg2相。 最后用E-44型環(huán)氧樹脂進行封孔處理，降低涂層空隙的影響，進一步提高鎂鋁異
種金屬涂層的耐腐蝕性能。 實施例2鋁合金表面電弧噴鎂制備鎂鋁異種金屬涂層
待防護基體的選用及噴涂前的表面處理同實施例1。 噴涂電極采用直徑為1. 6mm的鎂合金絲(96. 8% Mg+3% A1+0. 2%雜質(zhì))，和直徑 為2. Omm的鋁絲(99. 7% Al+O. 3%雜質(zhì))。 用DPT302型高速電弧噴涂機，電弧噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓29V，電流160A，噴 涂距離160mm，空氣壓力0. 7MPa。 噴涂過程同實施例l，得到的涂層成分及其重量比為Mg22 25%、A174 77%、其它2 10% (主要為氧元素)。 用充氬熱處理爐將涂層進行42(TC保溫50min的熱處理，根據(jù)XRD檢測，涂層組織 中富含Al^M^相和Al3Mg2相。 采用磷酸鈉與氫氧化鈉為主電解液，進行微弧氧化處理，電解液成分及微 弧氧化工藝參數(shù)為:Na5P301010. 0 15. Og/L、 NaOHl. 0 2. 5g/L、 NaW04l. 0-2. Og/L、 Na2EDTAl. 8_2. 5g/L，氧化電壓500-600V，電流密度10-15A/dm2，處理時間25-45min，氧化過 程中溫度控制在60°C以下，然后采用KLL-500陰極環(huán)氧電泳漆進行電泳后處理，能進一步 提高鎂鋁異種金屬涂層耐腐蝕性能。 實施例3鋁合金表面等離子噴涂制備鎂鋁異種金屬涂層
待防護基體的選用及噴涂前的表面處理同實施例1。 噴涂原料采用純度高于99. 9% 、粒度為10 ii m鎂粉和鋁粉，體積比為1:6。
采用ZB-80型號等離子噴涂機，工藝參數(shù)為噴涂電流500A，電壓50V， Ar流量60L/ min， H2流量6L/min，送粉率3. 0Kg/h，噴涂距離150mm。 通過送粉系統(tǒng)將鎂鋁混合粉末送入焰流部分，產(chǎn)生等離子焰流，在鋁合金基體 表面制備出結(jié)合強度高、涂層組織致密的鋁鎂金屬涂層。該涂層的成分及其重量比為 Mg8-12%、 A188-91X、其它約2-10% (主要為氧元素)。 用充氬爐將涂層進行47(TC保溫30min的熱處理，根據(jù)XRD檢測，涂層組織中富含 Al^Mgu相和Al3Mg2相。 采用硅酸鈉與氫氧化鈉為主電解液，對經(jīng)過熱處理的涂層進行微弧氧化處理，工
藝參數(shù)為Na2Si030. 10-0 . 25mol/L、 NaOH 0. 08-0. 15mol/L，氧化電壓450-720V，電流密度
10-25A/dm、處理時間20-60min，氧化過程中溫度控制在35°C _50°C ;然后采用KLL-500陰
極環(huán)氧電泳漆進行電泳后處理，進一步提高鎂鋁異種金屬涂層耐腐蝕性能。 實施例4鋁合金表面超音速火焰噴涂鎂鋁異種金屬涂層 選用鑄造鋁合金ZL114作為待防護基體，噴涂前的表面處理同實施例1。 噴涂原料采用純度高于99. 9% 、粒度分別為50 y m、 100 y m的鎂粉和鋁粉，體積比
為1 : 9。 采用SX-5000超音速火焰噴涂機，工藝參數(shù)為燃氣壓力0. 32MPa，助燃氣壓力 0. 50MPa，送粉氣壓力0. 40MPa，送粉率2. 5Kg/h，噴涂距離200mm。 鎂鋁混合粉末通過運載系統(tǒng)被送入火焰中，加熱至熔融狀態(tài)，隨焰流噴出，在壓縮 氣體的作用下打擊在工件上，在鋁合金基體表面制備出結(jié)合強度高、涂層組織致密的鋁鎂 金屬涂層。該涂層的成分及其重量比為Mg5. 5-7. 5%、A190. 5-93.0%、其它約2-10% (主 要為氧元素)。 用熱處理爐將涂層進行40(TC保溫60min的熱處理，根據(jù)XRD檢測，涂層組織中富 含Al^Mgn相和Al3Mg2相。 微弧氧化和電泳復(fù)合處理同實施例2 。
權(quán)利要求
一種鎂鋁異種金屬涂層，其特征在于，是采用以鎂絲和鋁絲為兩電極的電弧噴涂，或采用以顆粒度為0.2-100μm的鎂粉和鋁粉為原料的等離子噴涂或超音速火焰噴涂得到的，涂層的成分及其重量比為Mg5.5％～40.0％、A155.0％～93.0％、其它≤10％，將噴涂得到的涂層在200℃～470℃溫度下熱處理30～150分鐘后，涂層中含有鎂鋁金屬間化合物Al12Mg17和Al3Mg2。
2. —種鎂鋁異種金屬涂層的制備方法，采用電弧噴涂或等離子噴涂或超音速火焰噴涂，其特征在于，當(dāng)采用電弧噴涂時，將鎂絲和鋁絲作為電弧噴涂的兩電極，鎂絲和鋁絲的直徑比為l : 1 1 : 3，噴涂時送絲速度相同；當(dāng)采用等離子噴涂或超音速火焰噴涂時，將顆粒度為O. 2-100 ym的鎂粉和鋁粉按l : 1 1 : 9的體積混合后送入焰流高溫區(qū)。
3. 如權(quán)利要求2所述的鎂鋁異種金屬涂層的制備方法，其特征在于，所說的鎂絲是純度為99. 7%及以上的高純度鎂絲，或者是各成分及其重量比為Mg 91. 0 97. 0%、 Al3. 0 9. 0%、其他雜質(zhì)《0. 3%的鎂合金絲；鋁絲的純度為99. 7%及以上，鎂粉和鋁粉的純度為99.9%及以上。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的鎂鋁異種金屬涂層的制備方法，其特征在于，將噴涂得到的鎂鋁異種金屬涂層在200°C 47(TC溫度下熱處理30分鐘 150分鐘。
5. 如權(quán)利要求4所述的鎂鋁異種金屬涂層的制備方法，其特征在于，熱處理后用環(huán)氧樹脂對涂層進行封孔處理。
6. 如權(quán)利要求4所述的鎂鋁異種金屬涂層的制備方法，其特征在于，熱處理后采用硅酸鹽或磷酸鹽為主電解液，并采用陰極環(huán)氧電泳漆，對涂層進行微弧氧化和電泳復(fù)合處理。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域，涉及異種金屬涂層的制備方法。一種鎂鋁異種金屬涂層及其制備方法，采用電弧噴涂或等離子噴涂或超音速火焰噴涂，將直徑比為1∶1～1∶3的鎂絲和鋁絲作為兩電極進行電弧噴涂，或?qū)㈩w粒度為0.2-100μm的鎂粉和鋁粉按1∶1～1∶9的體積混合作為原料進行等離子噴涂或超音速火焰噴涂，噴涂得到涂層成分及其重量比為Mg5.5％～40.0％、Al55.0％～93.0％、其它≤10％。該涂層對鋼鐵以及電極電位較低的鋁、鋅等金屬具有良好的陰極保護作用。將該涂層在200℃～470℃溫度下熱處理30分鐘～150分鐘后，涂層組織中富含Al12Mg17相和Al3Mg2相，能進一步提高涂層的硬度及耐腐蝕性能。
文檔編號C23C4/08GK101709448SQ200910219750
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者劉黎明, 宋剛, 張兆棟, 徐榮正 申請人:大連理工大學(xué)