一種冷噴涂鋁基自潤滑耐磨涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層及其制備方法，屬于金屬表面處理技 術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著我國深海油氣田的開發與應用，高速、強摩擦、海水潤滑等特殊環境對海洋油 氣裝備提出了更高的要求，如何進一步提高海洋平臺、鉆機、在線生產儲卸裝置等海洋構筑 物的耐腐蝕、耐磨性等是當前石油天然氣所面臨的關鍵性問題。侶涂層表面可W形成惰性 的氧化物薄膜，具有良好的耐均勻腐蝕性能，作為防腐涂層具有廣闊的應用前景。但是，侶 涂層自身存在強度和硬度較低的缺點，耐磨損性能不足。
[0003] 近幾年來，便攜式的低壓冷噴涂設備不僅能用于噴涂軟金屬中含硬質相的復合粉 末，且其經濟、便攜的特性更適用于野外保養和修復，得到了廣泛的應用，已被越來越多的 科技工作者運用到了各商業領域。加拿大工業材料研究所的E.Irissou等[E.Irissou, J.G.Legoux,Β.Arsenault and C.Moreau . Investigation of A1-A1203 Cold Spray Coating Formation and Properties[J].Journal of Thermal Spray Technology,2007, 16(5-6) :661.]采用化壓冷噴涂技術制備得到不同粒徑的球形侶粉和不同濃度的氧化侶復 合涂層，并對其形成機理和性能進行了對比研究。K . S P e η C e r等[K . S P e η C e r， D.M.Fabijanic,M.X.Zhang.The use of A1-A1203 cold spray coatings to improve the surface properties of magnesium alloys[J].Surface&Coatings Technology, 2009，204:336-344.]對比研究了AZ9化儀基體上制備的低壓冷噴涂純侶和含有AI2O3增強相 的復合涂層，結果表明，Al-Ah〇3復合涂層與基體之間的結合強度比純侶涂層的結合強度 高，涂層的耐磨損性比AZ9化儀基體好。
[0004] 熱噴涂侶涂層存在一定程度的氧化、相變和晶粒長大等現象，涂層孔隙率大，均勻 性差，結合強度低，運些都導致了該涂層服役性能的下降。冷噴涂純侶涂層硬度低、耐磨損 性能差，且制備工藝要求高，一旦工藝不合適或在某一工藝下長時間工作，侶粉容易造成噴 槍阻塞，影響設備的正常運行，對安全生產帶來了巨大的風險。低壓冷噴涂作為一種新型表 面處理技術，它制備的Al-Xvol%Ah〇3復合涂層與傳統的熱噴涂侶涂層相比，具有氧化程度 低、致密性高、耐均勻腐蝕性好等諸多優點，但其耐磨損性能仍顯不足，需要從噴涂工藝參 數和涂層成分等方面進一步改進。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層，通過添加硬質相(Ah化陶 瓷顆粒）、潤滑劑(M0S2/WS2)對現有侶涂層進行改性，旨在提高新涂層的潤滑耐磨損性能;本 發明同時提供所述涂層的制備方法。
[0006] 一種冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層，所述涂層包含A1和AhOsW及M，所述Μ為MoS2和/ 或WS2;所述A巧PAl2〇3中，Al2〇3體積占比X為15-54% ;所述涂層中，Μ的質量總占比Y為0.02% ~10.08% ;所述涂層結構表述為：（Al-Xvol %Al2〇3)-Ywt%M。
[0007] 進一步地，所述Μ為M0S2和WS2的組合時，M0S2和WS2的質量比為3-9:1。
[000引所述涂層中，控制雜質的質量含量小于0.70%;所述雜質主要有Si、Ti、KXa。
[0009] 所述冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層的制備方法，包括W下步驟：
[0010] (1)選擇基體，對其表面進行除油處理并清洗干凈；
[0011] (2)將A1粉和Al2〇3粉按照Al2〇3粉體積占比15-54%的比例配制，機械混合均勻，然 后再加入Μ粉，機械混合均勻，得到噴涂粉；
[0012] (3)將步驟(2)得到的噴涂粉在真空干燥箱中烘干；
[0013] (4) W壓縮空氣和/或惰性氣體作為工作氣體，進行噴涂，噴涂壓力為0.45~ 0.82Mpa，噴涂溫度為215°C~525°C，噴涂距離為10~36mm，送粉速率為20~40g/min，噴槍 的橫向移動速度為10~30mm/s，得到所述的冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層。
[0014] 所述步驟(1)中，所述基體選取低碳鋼或合金鋼。
[0015] 所述步驟(2)中，所述侶粉為粒徑10~30μπι的球形，所述氧化侶粉的粒徑為20~40 皿，所述Μ粉粒徑為5~50μηι。
[0016] 所述步驟(2)中，侶粉中Α1的質量分數(純度）> 99.0%，氧化侶粉中Α?2〇3的質量分 數(純度）含99.0%。
[0017] 所述步驟(3)中，優選噴涂粉在85-95°C的真空干燥箱中烘25-35min。
[0018] 所述步驟(4)中，噴涂溫度優選215°C~450°C。
[0019] 本發明不僅可為新型金屬基復合涂層的設計和制備提供科學依據及研究基礎，還 可為海洋構筑物的長周期安全服役提供一種實用的保障技術。
[0020] 與現有技術相比，本發明的有益效果為：
[0021 ] 1、本發明所述冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層，制備工藝簡單，操作方便，原材料便宜 易得，設備便攜，適用于野外保養及修復。
[0022] 2、本發明制得的自潤滑耐磨涂層表面不僅相對均勻一致，而且還致密光滑，孔隙 率低，具有良好的機械性能。
[0023] 3、本發明制得的自潤滑耐磨涂層主要W侶為原材料，具有良好的耐均勻腐蝕性 能，作為防腐涂層具有廣闊的應用前景。
[0024] 4、本發明制得的自潤滑耐磨涂層具有優異的自潤滑耐磨損性能，克服了侶涂層自 身存在強度和硬度較低的缺陷，可作為適應于現場施工的新型冷噴涂材料，使在海洋油氣 裝備上服役的上層建筑得到充分的保護，并延長其使用壽命。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明所述涂層的制備流程圖，
[0026] 圖2是實施例2的摩擦參數變化曲線圖，
[0027] 圖3是實施例2的磨損變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0028] 本發明所述冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層的制備流程圖如圖1所示，主要包括:送粉 器(powder feeder)、加熱器(gas heater)和噴嘴(nozzle)下通過實施例子來說明本發 明所述冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層的制備方法。
[00巧]實施例1
[0030] 所述冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層的制備方法，包括W下步驟：
[0031] (1)選擇厚度為3mm的Q235碳鋼作為基體，對其表面進行噴砂、除油處理，然后用丙 酬、無水乙醇進行超聲波清洗干凈，清洗、干燥后用試樣袋封裝好，避免表面氧化；
[0032] (2)將A1粉(粒徑ΙΟμπι的球形）和Al2〇3粉(粒徑為2化m)進行機械混合均勻，其中 A12〇3粉體積占比為15 % ;然后再加入MoS2粉(粒徑為30μπι)，機械混合均勻，MoS2粉加入量占 總質量的1 %，得到噴涂粉；
[0033] (3)將步驟(2)得到的噴涂粉在90°C的真空干燥箱中烘30min;
[0034] (4)打開冷噴涂設備，用磁鐵將基體固定在噴涂板上，然后W壓縮空氣作為工作氣 體，噴涂壓力為0.5Mpa，噴涂溫度為250°C，噴涂距離為15mm，送粉速率為22g/min，噴槍的橫 向移動速度為15mm/s;進行噴涂，制備得到平均厚度在150皿左右的(Al-15vol%Al2〇3)-lwt%MoS2 涂層。
[0035] 實施例2
[0036] 所述冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層的制備方法，包括W下步驟：
[0037] (1)選擇厚度為4mm的A32鋼作為基體，對其表面進行噴砂、除油處理，然后用丙酬、 無水乙醇進行超聲波清洗干凈，清洗、干燥后用試樣袋封裝好，避免表面氧化；
[0038] (2)將A1粉(粒徑為20μπι)和Al2〇3粉(粒徑為30μπι)進行機械混合均勻，其中Al2〇3粉 體積占比為30% ;然后再加入MoS2粉(粒徑為30μπι)，機械混合均勻，MoS2粉加入量占總質量 的2%，得到噴涂粉；
[0039] (3)將步驟(2)得到的噴涂粉在95°C的真空干燥箱中烘28min;
[0040] (4)打開冷噴涂設備，用磁鐵將基體固定在噴涂板上，然后W氮氣作為工作氣體， 噴涂壓力為0.7Mpa，噴涂溫度為450°C，噴涂距離為22mm，送粉速率為30g/min，噴槍的橫向 移動速度為20mm/s;進行噴涂，制備得到平均厚度在150μπι左右的(Α^30νο1 %Al2〇3)-2wt % M0S2涂層。
[0041] 圖2是本實施例磨損2000次后的摩擦系數變化曲線圖，從圖中可知，兩涂層的摩擦 系數具有相同的變化趨勢，都是隨著滑動時間的延長呈先迅速上升，之后在較長一段時間 內趨于平穩，且(Al-30vol%Al2〇3)-2wt%MoS2涂層的摩擦系數明顯低于相同條件下制得的 Al-30vol%Al2〇3(不含MoS2)涂層的摩擦系數；
[0042] 圖3是本實施例磨損2000次后的磨損變化曲線，從圖中可知，（Al-30vol%Al2〇3)涂 層的磨損失重量隨著磨損次數的增加逐漸緩慢的增加，但是(Al-30vol%Al2〇3)-2wt%MoS2 涂層的磨損失重量隨著磨損次數的增加先是緩慢增加隨后又呈逐漸下降的趨勢，（八1-3〇￥〇1%412〇3)-2*1%1〇52涂層的磨損失重量(僅為0.8111旨）明顯低于相同條件下制得的八1-30vol%Al2〇3(不含MoS2)涂層的磨損失重量。
[0043] 實施例3
[0044] 所述冷噴涂侶基自潤滑耐磨涂層的制備方法，包括W下步驟：
[0045] (1)選擇厚度為3mm的Q235碳鋼作為基體，對其表面進行噴砂、除油處理，然后用丙 酬、無水乙醇進行超聲波清洗干凈，清洗、干燥后用試樣袋封裝好，避免表面氧化；
[0046] (2)將A1粉(粒徑30μπι的球形）和A12〇3粉(粒徑為4化m)進行機械混合均勻，其中 A!203粉體積占比為30% ;然后再加入WS2粉(粒徑為20皿），機械混合均勻，WS2粉加入量占總 質量的5%，得到噴涂粉；
[0047] (3)將步驟(2)得到的噴涂粉在85°C的真空干燥箱中烘35min;
[004引（4)打開冷噴涂設備，用磁鐵將基體固定在噴涂板上，然后W壓縮空氣作為工作氣 體，噴涂壓力為0.5Mpa，噴涂溫度為250°C，噴涂距離為30mm，送粉速率為40g/min，噴槍的橫 向移動速度為25mm/s;進行噴涂，制備得到平均厚度在150皿左右的（Al-30vol%Al203)-5wt%WS2 涂層。
[0049] 實施例4