一種鋁基材表面的爆炸噴涂碳化鎢涂層的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋁基材表面的爆炸噴涂碳化鎢涂層的制備方法，其步驟如下：步驟1.采用除油、噴丸工藝對原位自生以82顆粒增強的鋁基材表面進行預處理；步驟2.采用脈沖式爆炸噴涂方法在所述原位自生1^82顆粒增強鋁基材的表面制備耐磨防腐的WC-10C〇4Cr涂層，并控制鋁基材溫度為60?120°C;步驟3.噴涂完成后，采用金剛石砂輪對所述的涂層進行磨削精加工；步驟4.采用環氧樹脂封孔劑對所述的涂層進行封閉處理。本發明可用于直升機旋翼系統連接件槳轂夾板復合材料表面制備涂層，以提高TiB2顆粒增強鋁基復合材料表面抗腐蝕性能，同時可有效避免由于微動磨損和表面劃傷引起的失效，材料耐疲勞斷;裂使用壽命可提高3倍以上。
【專利說明】一種鋁基材表面的爆炸噴涂碳化鎢涂層的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及表面涂層的制備方法，尤其涉及一種可用于直升機旋翼系統槳轂夾板 等鋁基復合材料表面，兼具耐磨和防腐功能的爆炸噴涂碳化鎢涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002] 磨損是材料失效的三種主要形式之一，設備的故障往往是個別零件失效造成的。 直升機旋翼系統槳轂夾板對材料表面性能要求很高，特別是在高速、重載的條件下，表面的 局部磨損會造成零件的失效和降低裝備的可靠性。通過原位自生引入TiB 2顆粒增強相，大 大提高了鋁合金的力學性能，替代了法國進口的粉末冶金SiC增強鋁基復合材料。但是， TiB2增強顆粒的存在使得復合材料的腐蝕行為復雜化，其抗腐蝕性能要比基體合金低得 多，經耐鹽霧腐蝕試驗后，槳轂夾板的耐微動磨損疲勞壽命由原來的2400h下降到IOOOh左 右。有關鋁基復合材料表面耐磨防腐涂層制備工藝的報道極少，且研究工作主要是針對SiC 顆粒增強的復合材料，通過在材料表面制備3-5 μ m氧化鋁膜，然后用鉻酸鹽對其進行封孔 處理，鉻酸鹽的使用給環境造成了嚴重的污染。
[0003] 碳化鎢是540°C以下硬度最高的涂層，特別是WC_10C〇4Cr涂層具有良好的耐磨和 抗腐蝕性能。而常用的超音速火焰噴涂和等離子噴涂的中心火焰最高接近l〇〇〇〇°C，將噴 涂材料加熱到熔融狀態后隨等離子弧焰流撞擊并沉積到工件表面形成涂層。噴涂材料粒子 的飛行速度低，導致粒子扁平化程度不足，涂層內部孔隙率一般高達3-10%，涂層結合強度 差；噴涂過程溫度高容易引起基材退火造成力學性能下降，而鋁合金表面溫度超過170°C 時，會造成噴丸產生的殘余壓應力消失，使鋁合金材料的耐疲勞斷裂使用壽命明顯降低。
【發明內容】
[0004] 本發明為了解決上述現有技術中存在的問題，提供了一種可用于直升機旋翼系統 槳轂夾板鋁基復合材料表面兼具耐磨和防腐功能的爆炸噴涂碳化鎢涂層制備方法。
[0005] 本發明提出的鋁基材表面的爆炸噴涂碳化鎢涂層的制備方法，其步驟如下：
[0006] 步驟1、采用除油、噴丸工藝對原位自生TiB2(二硼化鈦）顆粒增強的鋁基材表面 進行預處理，以增加材料表面粗糙度，提高材料表面的殘余壓應力和涂層與基材間的結合 強度；
[0007] 步驟2、采用脈沖式爆炸噴涂方法在所述原位自生TiB2顆粒增強鋁基材的表面制 備耐磨防腐的WC-10C 〇4Cr涂層，并控制鋁基材溫度為60?120°C ;
[0008] 其中，所述脈沖式爆炸噴涂中，氧氣、乙炔和丙烷混合氣體流量比例范圍為 (1. 2?L 5) :L 0 :(0· 05-0. 15)m3/h，，爆炸頻率為3?6次/秒，噴涂距離為150?200_， 炮口直徑為16?20mm，WC-10Co4Cr為粉體，其送粉量為0. 5?0. 8g/s，涂層厚度為150? 200 μ m ；
[0009] 步驟3、噴涂完成后，采用金剛石砂輪對所述的涂層進行磨削精加工，使得所述涂 層表面無燒傷、裂紋；顯微硬度HV a3為1000?1400,涂層與鋁基材的結合強度> 150MPa， 封孔前孔隙率< 1.0% ;
[0010] 步驟4、采用環氧樹脂封孔劑對所述的涂層進行封閉處理，利用環氧樹脂的化學反 應封閉所述涂層中的微孔，封孔后孔隙率< 〇. 05%，耐鹽霧試驗> IOOOh ;槳轂夾板疲勞壽 命彡2400h。 toon] 與現有技術相比，本發明的優點：
[0012] (1)本發明在原位自生TiB2顆粒增強鋁基復合材料表面制備均勻致密的環氧樹 脂封孔耐磨防腐涂層。通過在氧氣和乙炔混合氣體中通入丙烷，在保證爆炸能量和粒子飛 行速度的前提下，可以在還原氣氛下制備低脫碳率和氧含量的WC-10C 〇4Cr耐磨防腐涂層。 在氧氣、乙炔爆炸噴涂制備WC涂層的過程中，由于爆炸溫度高，部分WC粒子在高溫氣流中 發生分解，涂層的韌性和耐磨性降低。而在氧氣和乙炔混合氣體中通入丙烷，由于丙烷燃燒 時放出的熱能較乙炔要低，可以減少WC粉末的過熱；而且丙烷為單鍵結構，相比乙炔的三 鍵結構分子鏈斷裂能較大，爆炸時粒子受熱均勻且較發散的火焰有利于粒子的均勻霧化。 通過調整爆炸噴涂工藝參數，可制備硬度和結合強度高、韌性好的WC-10C 〇4Cr耐磨防腐涂 層。
[0013] (2)噴丸預處理和爆炸噴涂高速粒子沖擊在復合材料表面形成的壓應力，可明顯 提高槳轂夾板的耐疲勞使用壽命，而且脈沖式爆炸噴涂制備涂層過程中，鋁基材溫度升高 不超過120°C，不會降低噴丸和噴涂產生的殘余壓應力。
[0014] (3)本發明的爆炸噴涂制備WC-10C〇4Cr涂層，解決了用于直升機旋翼系統連接件 槳轂夾板新型鋁基復合材料的耐磨和防腐問題，可有效避免由于微動磨損和表面劃傷引起 的零件失效，使用壽命平均提高3倍以上。鹽霧腐蝕42天后，最優工藝制備的涂層封孔后 表面未發現任何腐蝕產物。
[0015] (4)用無毒的環氧樹脂有機封孔劑、室溫抽真空技術取代了傳統的鉻酸鹽封孔工 藝，解決了六價鉻嚴重污染環境和危害人體健康的問題。用環氧樹脂封孔劑對涂層中的微 孔進行封閉處理后，進一步降低涂層的孔隙率，提高了涂層的防腐性能。該工藝方法簡單， 具有較廣的應用范圍。
【具體實施方式】
[0016] 實施例1:
[0017] 工件基材為可用于直升機旋翼系統槳轂夾板的原位自生TiB2顆粒增強的鋁基材， 噴涂前用丙酮將鋁基材工件進行超聲清洗IOmin去除油脂，然后用直徑Imm的鑄鋼球進行 噴丸處理，噴丸壓力0. 4MPa、時間30min。以增加材料表面粗糙度，提高鋁基材表面的殘余 壓應力和涂層與基材間的結合強度。
[0018] 噴涂過程：在每次爆炸之前，首先向爆炸室內輸送氧氣、乙炔和丙烷氣可燃混合氣 體；然后由送粉器輸送霧化的WC-10C〇4Cr粉料；通過火花塞點火使之迅速燃燒并發生爆 炸，形成高溫高速燃氣流；被高溫熔化或軟化的粒子經I. Im長的炮筒向工件表面轟擊，噴 槍口的涂料顆粒飛行速度高達800?1200米/秒，粉末粒子對鋁基材撞擊力大，脈沖式的 爆炸噴涂抑制了鋁基材的升溫，在鋁基材表面上通過斑點疊加形成高質量的涂層。爆炸后 槍膛內送入氮氣清掃氣體，以保持槍內清潔，為繼續噴涂做準備。控制噴涂后工件溫度為 60?120°C，噴涂完成后采用金剛石砂輪對涂層進行磨削精加工。爆炸噴涂工藝參數見表 Io
[0019] 將低粘度的環氧樹脂E51和聚醚胺D-230固化劑按重量份比為100 :30混合均勻。 用刷涂或噴涂的方法將封孔劑均勻的涂覆于涂層表面，在真空干燥箱中抽真空至〇. IMPa 保持20min，使其充分滲入到涂層孔隙中，然后用丙酮除去表面多余的樹脂，室溫固化6h即 可獲得封孔效果良好的涂層。涂層和槳轂夾板的性能見表2。
[0020] 表1爆炸噴涂工藝參數
[0021]
【權利要求】
1. 一種鋁基材表面的爆炸噴涂碳化鎢涂層的制備方法，包括如下步驟： 步驟1、采用除油、噴丸工藝對原位自生二硼化鈦（TiB2)顆粒增強的鋁基材表面進行預 處理； 步驟2、采用脈沖式爆炸噴涂方法在所述原位自生TiB2顆粒增強的鋁基材的表面制備 耐磨防腐的WC-10C〇4Cr涂層，并控制該鋁基材溫度為60?120°C ; 其中，所述脈沖式爆炸噴涂中，氧氣、乙炔和丙烷混合氣體流量比例范圍為（1.2? 1.5): 1.0 :(0.05-0. 15)m3/h，爆炸頻率為3?6次/秒，噴涂距離為150?200mm，炮口直徑 為16?20mm，WC-10Co4Cr為粉體，其送粉量為0. 5?0. 8g/s，涂層厚度為150?200 μ m ; 步驟3、噴涂完成后，采用金剛石砂輪對所述的涂層進行磨削精加工，使得所述涂層表 面無燒傷、裂紋；顯微硬度HVa3為1000?1400,涂層與鋁基材的結合強度> 150MPa，封孔 前孔隙率彡1. 0% ; 步驟4、采用環氧樹脂封孔劑對所述的涂層進行封閉處理，利用環氧樹脂的化學反應 封閉所述涂層中的微孔，封孔后孔隙率< 〇. 05%，耐鹽霧試驗> IOOOh ;槳轂夾板疲勞壽命 彡 2400h。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟1中，采用丙酮對所述的鋁基材表 面進行超聲清洗去除油脂，然后用直徑Imm的鑄鋼球進行噴丸處理，噴丸時間30min。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于：所述封孔的環氧樹脂為低粘度的環氧樹脂 E51，采用聚醚胺D-230作為固化劑，環氧樹脂和固化劑的重量份比為100 :30 ;并用刷涂或 噴涂的方法將所述的環氧樹脂均勻的涂覆于所述涂層表面，抽真空使其充分滲入到涂層孔 隙中，再用丙酮除去表面多余的樹脂，室溫固化6h獲得封孔效果良好的涂層。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于：所述WC-10Co4Cr粉末的粒度為15?38μπι。
【文檔編號】C23C4/12GK104213064SQ201410469752
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】趙立英, 王剛, 劉平安, 吳清軍 申請人:廣東新勁剛新材料科技股份有限公司, 佛山市康泰威新材料有限公司