一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层及其制备方法

摘要

本发明提供了一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层及其制备方法，该金属合金涂层是以含有B的CuNiIn金属合金粉末为原料，采用高温等离子射流制备得到的CuNi基合金涂层；本发明利用含B的CuNiIn合金粉在预处理后的基体表面进行等离子喷涂制备涂层，形成氧化物含量低，涂层粒子间结合良好、内聚强度高的致密CuNi基合金涂层。此外，本发明制备的CuNi基合金涂层中，B的存在有效提升了涂层的硬度，从而使得涂层具有很高的抗微动磨损抗力，在燃气涡轮发动机压气机叶片榫头表面喷涂可显著提升叶片的疲劳强度与寿命。

权利要求

1.一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层，其特征在于，所述金属合金涂层是以含有B的CuNiIn金属合金粉末为原料，采用高温等离子射流制备得到的含有B的CuNi基合金涂层；

其中，所述含有B的CuNiIn金属合金粉末中，Ni的含量为30％～40％；In的含量为0wt％～5wt％；Cu的含量55％～70％；B的含量为1％～4％；

所述含有B的CuNiIn金属合金粉末中，金属的粒径值为10μm～75μm；

所述含有B的CuNiIn金属合金粉末在高温等离子射流的工作温度下，所述金属合金粉末转变为高温熔融粒子，并随高温焰流飞行60mm～150mm后喷向金属基体表面；

所述高温熔融粒子的温度为大于1500℃。

2.根据权利要求1所述的金属合金涂层，其特征在于，所述金属合金涂层中金属氧化物的含量为小于等于0.5％。

3.一种如权利要求1所述的等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将含有B的CuNiIn金属合金粉末送入高温等离子射流，在高温等离子射流的工作温度下，所述金属合金粉末转变为高温熔融粒子，并随高温焰流飞行预设距离后喷向金属基体表面；

其中，所述高温熔融粒子的温度为大于1500℃。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述含有B的CuNiIn金属合金粉末中，金属粒径的值为20μm～45μm。

5.根据权利要求3所述的金属合金涂层，其特征在于，CuNi基合金涂层的厚度为100μm‑

500μm。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：对待喷涂的所述金属基体表面依次进行除锈处理、除污处理、喷丸处理、喷砂粗糙化操作。

说明书

一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属加工技术领域，特别是涉及一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层及其制备方法。

背景技术

[0002] 微动大量存在于紧固振动工况下的机械零部件中，由其引起的损伤通常以微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀广泛的存在于机械以及航空航天等领域。

[0003] 比如燃气涡轮发动机压气机的叶片榫头，当叶片榫头安装在主轴转盘上高速转动时，叶片离心力产生的径向载荷与叶片切向方向受空气的阻力联合作用而产生高频振动，从而在榫头侧面产生微动磨损损伤。损伤使得紧固产生松动，产生功率损失和显著噪音的同时还可能诱发疲劳断裂。

[0004] 针对如钛合金叶片发生的这种微动损伤，迄今为止一直采用CuNiIn合金粉末在大气气氛中用等离子喷涂这种合金涂层以提升钛合金叶片的微动疲劳抗力(如：V.Fridric,S.Fouvry,Ph.Kapsa,Fretting wear behavior of a Cu‑Ni‑In plasma coating,2003,Surface&Coatings Technology,Vol.163‑164,p.429‑434；A.Ma,D.Liu,X.Zhang et al.,The fretting fatigue performance of Ti–6Al–4V alloy  influenced  by microstructure of CuNiIn coating prepared via thermal spraying,2020,Tribology International,V.145,106156)。但是，由于高温熔融态金属粒子在飞行中不可避免与卷入等离子射流中的氧发生氧化反应而引入氧化物夹杂，而喷涂过程中合金组分的氧化使得该合金涂层中氧化物含量较高，较高含量的氧化物能显著弱化涂层内沉积粒子的层间结合作用力。在微动发生的磨损条件下，氧化物含量较高的涂层会产生沿粒子界面扩展的裂纹而加速磨损，大大降低了涂层的保护寿命；涂层中的氧化物在微动磨损脱落后，还将诱发摩擦副钛合金的磨粒磨损而加剧磨损。

[0005] 因此，如何降低CuNiIn耐微动磨损的金属合金涂层中的氧化物含量，提升金属合金涂层粒子间结合强度以及提升涂层硬度，依然是本领域需要研究解决的重要问题。

发明内容

[0006] 基于上述存在的问题，本发明提供了一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层及其制备方法，以解决常规手段制备得到的CuNi基金属合金涂层中，因氧化物含量较高而造成的合金涂层粒子间结合强度低，以及涂层硬度低，抗微动磨损能力差的问题。

[0007] 第一方面，本发明提供一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层，所述金属合金涂层是以含有B的CuNiIn金属合金粉末为原料，采用高温等离子射流制备得到的含有B的CuNi基合金涂层。

[0008] 优选地，所述金属合金涂层中金属氧化物的含量为小于等于0.5％。

[0009] 第二方面，本发明提供一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层的制备方法，所述方法包括：

[0010] 将含有B的CuNiIn金属合金粉末送入高温等离子射流，在高温等离子射流的工作温度下，所述金属合金粉末转变为高温熔融粒子，并随高温焰流飞行预设距离后喷向所述金属基体表面；

[0011] 其中，所述高温熔融粒子的温度为大于1500℃。

[0012] 优选地，所述含有B的CuNiIn金属合金粉末中，Ni的含量为30％～40％；In的含量为0～5wt％；Cu的含量55％～70％。

[0013] 优选地，所述含有B的CuNiIn金属合金粉末中，B的含量为1～4％。

[0014] 优选地，所述含有B的CuNiIn金属合金粉末中，金属粒径的值为10μm～75μm。

[0015] 优选地，所述含有B的CuNiIn金属合金粉末中，所述金属粒径的值为20μm～μ45mm。

[0016] 优选地，所述CuNi基合金涂层的厚度为100μm‑500μm。

[0017] 优选地，所述预设距离的取值为60mm～150mm。

[0018] 优选地，所述方法还包括：

[0019] 对待喷涂的所述金属基体表面依次进行除锈处理、除污处理、喷丸处理、喷砂粗糙化操作。

[0020] 与现有技术相比，本发明提供的一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层包括以下优点：

[0021] 本发明在制备耐微动磨损的CuNi基金属合金涂层时，CuNi基合金中引入适量B元素作为喷涂原材料。其中，B元素的参与，能够降低等离子射流环境中的熔融粒子的氧含量，有效减少高温下金属元素的氧化，制备出金属粒子间充分结合的高内聚强度的CuNi基合金涂层；此外，CuNi基合金涂层中B的存在能够有效提升涂层的硬度，使得涂层具有很高的抗微动磨损抗力。

附图说明

[0022] 图1示出了本发明实施例提供的等离子喷涂耐微动磨损CuNi金属合金涂层断面组织示意图；

[0023] 图2示出了本发明实施例提供的等离子喷涂耐微动磨损CuNi金属合金涂层经王水腐蚀后的断面组织示意图；

[0024] 图3示出了本发明实施例提供的采用传统CuNiIn粉末制备的涂层的断面组织示意图。

具体实施方式

[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 为解决常规方法制备得到的CuNi基金属合金涂层中，因氧化物含量较高而造成的抗微动磨损能力差的问题，本发明提出的技术构思为：在CuNiIn金属合金粉末中添加适量B元素，利用高温等离子射流，向金属基体表面喷涂含有B的CuNiIn金属合金粉末来制备CuNi基合金涂层。由于B元素的还原性强于Cu、Ni、In，因此，在高温等离子射流中，B元素会优先与氧气发生反应生成B2O3，在高于B2O3沸点的熔滴温度下被汽化蒸发掉，从而有效降低等离子射流环境中的熔融粒子氧含量，有效减少高温下金属元素的氧化，制备出金属粒子间充分结合的高内聚强度的合金沉积层。同时，CuNi基合金涂层中B的存在能够有效提升涂层的硬度，使得涂层具有很高的抗微动磨损抗力。基于上述技术构思，发明人提供了一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层及其制备方法，具体实施内容如下：

[0027] 第一方面，本发明提供一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层，该金属合金涂层是以含有B的CuNiIn金属合金粉末为原料，采用高温等离子射流制备得到的含有B的CuNi基合金涂层。

[0028] 具体实施时，金属合金涂层中金属氧化物的含量为小于等于0.5％。

[0029] 具体实施时，使用加入适量的B元素的CuNiIn金属合金粉末作为待喷涂粉末，由于B元素的还原性强于Cu、Ni、In元素，因此，在高温等离子射流中，B元素会优先与氧气发生反应生成B2O3，消耗射流引入的氧，并在高于B2O3沸点的熔滴温度下被汽化蒸发掉，从而有效降低等离子射流环境中的熔融CuNi粒子的氧含量，有效减少高温下金属元素的氧化，从而制备出金属粒子间充分结合的高内聚强度的CuNi基合金涂层，解决了在大气氛围下制备CuNi基合金涂层耐微动性能较差的问题。

[0030] 第二方面，本发明提供一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层的制备方法，该方法包括：

[0031] 将含有B的CuNiIn金属合金粉末送入高温等离子射流，在高温等离子射流的工作温度下，金属合金粉末转变为高温熔融粒子，并随高温焰流飞行预设距离后喷向金属基体表面；

[0032] 其中，熔融粒子温度为大于1500℃。

[0033] 具体实施时，本发明选择更高的温度含有B的CuNiIn金属合金粉末送入高温等离子射流，B优先被氧化生成的B2O3，金属合金粉末转变为高温熔融粒子；当熔融粒子温度大于1860℃时，达到B2O3的沸点，可将生成的氧化硼瞬间快速气化去除，因此，该温度为最优选温度。

[0034] 具体实施时，含有B的CuNiIn金属合金粉末中，Ni的含量为30％～40％；In的含量为0～5wt％；Cu的含量55％～70％。

[0035] 具体实施时，由于原材料中，In的价格相对较高，因而，制备CuNi基合金涂层的原材料中，In的含量决定涂层的制备成本。因此，通过本发明提供的技术构思制备的CuNi基合金涂层，当In的含量为0％时，制备出的CuNi基合金涂层耐磨性能为传统涂层的7倍以上，在获得成本较低的保护涂层的同时，CuNi基合金涂层的耐磨性能大大提升。

[0036] 具体实施时，含有B的CuNiIn金属合金粉末中，B的含量可以为1～4％。

[0037] 具体实施时，含有B的CuNiIn金属合金粉末中，金属粒径的值为10μm～75μm。

[0038] 具体实施时，含有B的CuNiIn金属合金粉末中，金属粒径的值为20μm～45μm。

[0039] 本实施例中，CuNi基合金涂层的厚度可以为100μm‑500μm。

[0040] 本实施例中，预设距离的取值可以选择60mm～150mm。

[0041] 具体实施时，金属粒径大小的选择与高温熔融粒子温度的选择、与预设距离的选择直接相关。金属粒径越大，其比表面积越小，被氧化的作用就越弱，同样加热速度就越慢，为使加热效果达到最优，本发明实施例控制金属粒径为10μm～75μm，高温等离子射流的高温熔融粒子的温度为大于1500℃，预设距离的取值为60mm～150mm的条件进行CuNi基合金涂层的制备。而在实际的操作过程中，最佳的金属粒径范围为20μm～45μm，相应地，高温等离子射流的高温熔融粒子的温度为大于1860℃作为优选条件。

[0042] 具体实施时，在高温等离子射流的工作温度下，高温焰流中包含的CuNiIn金属合金粉末经高温熔融形成的高温熔融粒子，使该高温焰流飞行预设距离后喷在基体的表面，形成CuNi基合金涂层。飞行预设距离可以使金属粉末有一个有效的时间进入完全熔融状态。该预设距离可以选用60mm～150mm。

[0043] 具体实施时，该方法还包括：

[0044] 对待喷涂的金属基体表面依次进行除锈处理、除污处理、喷丸处理、喷砂粗糙化操作。

[0045] 具体实施时，由于锈蚀、污垢和油污会对涂覆金属涂层造成不利干扰，具体来说是降低金属涂层的附着力，因此，在进行喷涂前，需要对基体进行除锈、除污和除油操作，具体的操作时可以利用打磨设备打磨掉锈蚀，也可以用酸液除去锈蚀，也可以用激光清洗除锈，对污垢和油污可以利用相应溶剂进行清洗操作。

[0046] 此外，为了提高涂覆后的金属涂层的附着力，还可以利用喷砂设备对基体的表面进行喷砂作业，以提高该表面的粗糙度，从而有效提高附着力。

[0047] 作为表面处理操作，在喷砂前对基体表面进行喷丸处理，可以使基体表面层呈现压应力状态，有效提升零件抗疲劳能力。

[0048] 下面是本发明在具体实施时的详细介绍：

[0049] 实施例1

[0050] 采用粒度介于20μm～50μm的CuNi3B粉末，在常温大气氛围下进行等离子喷涂，电弧功率为38kW、喷涂距离为80mm。

[0051] 图1示出了本发明实施例提供的等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层断面示意图。观察图1所示的涂层断面组织可以发现，该CuNiB合金涂层具有组织致密，氧化物含量很有限，粒子层间充分结合的优点。

[0052] 图2示出了本发明实施例提供的等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层经王水腐蚀后的断面组织示意图。如图2所示，本发明实施例提供的等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层经过断面腐蚀后，尽管粒子内部发生了腐蚀，但粒子界面并未发生选择性腐蚀。这说明粒子间形成了充分的冶金结合。

[0053] 图3示出了本发明实施例提供的采用传统CuNiIn粉末制备的涂层的断面组织示意图。图3所示的涂层是使用现有技术手段中常用的CuNiIn粉末，以及与制备图1所示的金属合金涂层同样的条件制备得到，如图3所示，涂层的断面组织内氧化物含量明显，粒子间结合有限。此外，采用微动磨损试验表明，由现有技术手段制备的图3所示的传统涂层中氧化3
物含量为大于2％，作为耐磨性能指标的磨损体积测试结果为6.2mm ；而由本发明公开的图
3
1所示的上述涂层中的氧化物含量为小于0.5％，其同试验条件下的磨损体积仅为0.85mm ；
耐磨性能是传统涂层的7倍以上。

[0054] 实施例2

[0055] 采用CuNi3.8B粉末，粒度为20mm～45mm，在电弧功率38kW，喷涂距离140mm下制备了致密涂层，涂层结合强度超过40MPa，组织致密。采用Ti合金作为摩擦副试验表明，具有优越的耐微动磨损性能。

[0056] 实施例3

[0057] 采用CuNiIn2.5B粉末，粒度为30mm～50mm，在电弧功率34kW，喷涂距离100mm下，熔滴温度超过1800℃下制备了涂层，涂层结合强度超过40MPa，组织致密。采用Ti6Al4V合金作为摩擦副试验表明，具有优越的耐微动磨损性能。

[0058] 实施例4

[0059] 采用CuNi1.8粉末，粒度为35μm～75μm，在电弧功率45kW，喷涂距离100mm～140mm下范围内，获得温度超过1600℃的熔融粒子制备了涂层，涂层结合强度超过40MPa，组织致密。采用Ti合金作为摩擦副试验表明，具有优越的耐微动磨损性能。

[0060] 以上对本发明所提供的一种等离子喷涂耐微动磨损金属合金涂层及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。