技术领域
本发明属于冷喷涂涂层技术领域，具体涉及一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法。
背景技术
飞机等航空装备使用了大量铝、镁合金制造的零件，长期使用过程中易产生疲劳裂纹与应力腐蚀等现象，需定期进行维修。在航空装备大修时，由于铝、镁合金可焊性差、焊接热输入大等原因给设备维修带来极大困难。热喷涂修复技术由于涂层孔隙率高、耐腐蚀和抗氧化性能差，容易造成基体的热损伤，不适于铝、镁合金的维修。
冷喷涂(Cold Spraying)技术是利用固态颗粒在高速冲击下经剧烈塑性变形沉积形成涂层，喷涂材料颗粒的微结构、粒子尺寸、表面氧化状态等对涂层力学性能和沉积效率均有重要影响。作为一种新型表面增材修理技术，具有操作简便、安全无热辐射、工艺过程简单、准备时间短、喷涂效率高等特点；同时，喷涂基体表面温度低(～150℃)，可避免传统焊接、热喷涂等修理技术导致零部件变形、晶粒长大、涂层氧化等缺陷，是航空装备修复技术的理想选择。但冷喷涂也存在一定的局限性，在喷涂过程中粉末在强烈的撞击下会经历剧烈的塑性变形，相当于经历了复杂的加工硬化，导致涂层存在强度高但塑性差的特点，常伴随有脆性断裂倾向，严重制约其应用范围。因此，要求冷喷涂原材料粉末颗粒在保证强度的同时还必须具有一定的塑性。
为克服上述缺陷，部分研究人员将冷喷涂后的涂层进行热处理以提高其韧性，虽然可以改善涂层的力学性能，但受限于航空零部件的特殊要求，即基体表面加热温度不能超过～150℃限制，极大地制约了后续热处理方法的应用。而且在传统冷喷涂过程中，使用的球形粉末原料一般均采用直接气雾化粉末，该粉末经非平衡快速凝固，粉末内部存在有大量枝晶，塑性较差。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明为调控合金粉末的塑性，提升粉末沉积效率，以及降低涂层孔隙等缺陷，通过采用粉末预热处理与冷喷涂气体加热特性相结合的方法，实现在冷喷过程中涂层动态再结晶，解决涂层强韧性相互制约的难题。
本发明具体通过以下技术方案实现：
一种基于热处理铝合金粉末的冷喷涂涂层制备方法，包括以下步骤：
1)采用气雾化法制备铝合金粉末；
2)利用旋转热处理炉对铝合金粉末进行热处理；
3)将热处理后的粉末进行冷喷涂成形，获得冷喷涂制件。
进一步的，所述的铝合金为可热处理析出强化型7000、6000、2000系合金粉末，其典型代表分别为7075、6061、2024铝合金粉末，粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。
优选的，所述的铝合金粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。
冷喷涂过程中粉末颗粒和基材的碰撞结合主要取决于粒子的动能。在相同喷涂条件下，粒径小于等于3μm的粉末初始动能较大，但由于本身质量小，在喷涂过程中易受气流干扰，导致难以沉积在基板上。此外，小颗粒粉末比表面积较大，在高温气流下表面易氧化，进一步降低了沉积效率。另一方面，粉末粒度大于等于60μm的粉末由于质量大，初始动能低，与基板碰撞产生的塑性变形小，沉积率低。
进一步的，步骤2)所述的热处理条件为：炉内抽真空5.0×10
本发明采用的旋转热处理炉应有旋转炉管的功能，且能达到10
传统静置热处理方式对铝合金粉末进行预热处理，存在合金粉末易粘结成块的问题，本发明采用旋转式热处理炉对合金粉末进行动态热处理，在热处理过程中粉末将保持旋转运动状态，可有效解决这一难题。
进一步的，步骤3)中冷喷涂工艺条件为：气体压力400～525psi，气体加热温度450～550℃，喷枪移动速率100mm/min，X、Y方向交替，送粉速率5～50g/min，单层厚度0.1～1.0mm，气源为He或N
气体压力的设置主要与粉末粒径分布范围(D50)以及沉积率和涂层密度要求密切相关，在粉末粒径范围确定条件下，提升气体压力有利于获得更高的沉积率和涂层质量；反之则可获得疏松或多孔状态材料，实现梯度化功能材料设计。气体加热温度高低一是可降低粉末初始硬度，提升沉积率，二是加热气体，可改善气体在喷管中的流动速率，提升粒子的加速度。喷枪移动速率与送粉速率与粉末种类以及单层沉积厚度有关，而X、Y方向交替式喷涂有利于减少涂层的力学各向异性。
本发明的有益效果为：
本发明将热处理析出强化型铝合金粉末预先进行低温热处理以调控气雾化合金粉末中组织结构，改善了合金粉末的塑性变形能力，极大地提升粉末沉积效率，并降低涂层孔隙等缺陷；同时利用冷喷涂过程中气体加热特性及喷涂撞击热量，在冷喷过程中实现涂层的动态再结晶，极大地提升了涂层的综合力学性能，可有效解决直接冷喷涂成型涂层强度高但韧性不足的问题。经本发明热处理方法制备的7075铝合金粉末冷喷涂样品抗拉强度最多可提升48.6％，延伸率最多可提高114％；6061铝合金粉末冷喷涂样品抗拉强度最多可提升15.4％，延伸率最多可提高35％；2024铝合金粉末冷喷涂样品抗拉强度最多可提升16.3％，延伸率最多可提高23％。
此外，采用真空旋转热处理炉对合金粉末进行热处理，避免了常规热处理方法中粉末因静置产生结块的现象，同时采用高纯氩气保护冷却的方法避免了粉末冷却过程中可能的氧化现象，保证了合金粉末的流动性及低氧含量，能有效避免因粉末流动性差造成的送粉不均给喷涂过程带来问题，同时还避免了因送粉不均导致的融合不良或未融合缺陷，从粉末原材料性能方面提高喷涂质量和喷涂效率。
附图说明
图1为本发明所采用7075铝合金粉末的扫描电镜(BSE)结构图，图中灰色部分为α-Al基体，白亮组织为枝晶偏析；
图2为7075铝合金粉末在120℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；
图3为7075铝合金粉末在140℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；
图4为7075铝合金粉末在160℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；
图5为7075铝合金粉末在180℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；
图6为7075铝合金粉末在200℃热处理保温1小时的扫描电镜(BSE)结构图；
图7为各个温度保温1h的粉末制得的喷涂件的拉伸强度曲线图；
图8为粉末经140℃热处理保温1h、4h、8h、12h的拉伸强度曲线图；
图9为粉末经200℃热处理保温1h、4h、8h、12h的拉伸强度曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、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。
实施例1
本实施例中，采用7075铝合金粉末用于冷喷涂的热处理方法包括以下步骤：
1)通过气雾化法得到7075铝合金粉末。
其中，所述合金粉末粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。
粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。
2)对粉末进行热处理：将7075铝合金粉末装入罐中放入旋转热处理真空炉，炉内抽真空至7×10
3)对热处理后的粉末进行冷喷涂：气体压力400～500psi，气体加热温度500℃，喷枪移动速率100mm/min，送粉速率20g/min，单层厚度0.5～1.0mm，气源为He。
4)获得制件，对制件进行拉伸测试。
本实施例制得的粉末结构如图2所示，相比较未经过处理的粉末(图1)，组织没有发生明显变化，但晶粒有所变大，拉伸强度如图7所示，相对未经处理喷涂件提高4％。没有经过热处理的粉末冷喷涂获得的制件延伸率为2.11％，本实施例获得的制件延伸率为1.66％，塑性有所下降。
实施例2
本实施例中，采用7075铝合金粉末用于冷喷涂的热处理方法包括以下步骤：
1)通过气雾化法得到7075铝合金粉末。
其中，所述合金粉末粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。
粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。
2)对粉末进行热处理：将7075铝合金粉末装入罐中放入旋转热处理真空炉，炉内抽真空至7×10
3)对热处理后的粉末进行冷喷涂，气体压力400psi，气体加热温度500℃，喷枪移动速率100mm/min，送粉速率20g/min，单层厚度0.5～1.0mm，气源为He。
4)获得制件，对制件进行拉伸测试。
本实施例制得的140℃保温1h的微观结构如图3所示，这种粉末的晶粒有了较为明显的长大，伴随着的是枝晶偏析的较少，此时这种粉末制得的喷涂件的拉伸性能获得了较大的提升，数值为接近300MPa。如图8所示，随着保温时间的增加，喷涂件的拉伸强度呈现出先减小后增大的趋势，在保温12h时达到峰值311MPa，对比未经处理的228MPa，提升了36.4％。没有经过热处理的粉末冷喷涂获得的制件延伸率为2.11％，本实施例获得的制件延伸率分别为2.25％、3.11％、2.5％、2.65％，最多可提升47％。
实施例3
本实施例中，采用7075铝合金粉末用于冷喷涂的热处理方法包括以下步骤：
1)通过气雾化法得到7075铝合金粉末。
其中，所述合金粉末粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。
粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。
2)对粉末进行热处理：将7075铝合金粉末装入罐中放入旋转热处理真空炉，炉内抽真空至7×10
3)对热处理后的粉末进行冷喷涂。气体压力400psi，气体加热温度500℃，喷枪移动速率100mm/min，送粉速率20g/min，单层厚度0.5～1.0mm，气源为He。
4)获得制件，对制件进行拉伸测试。
本实施例制得的粉末微观结构如图4所示，这种粉末除晶粒长大之外，枝晶偏析部分溶解，并产生白色强化相，使粉末硬度提升，导致冷喷图之后强度有所降低，为265MPa，但相对未经处理的喷涂制件来说提高了16％。没有经过热处理的粉末冷喷涂获得的制件延伸率为2.11％，本实施例获得的制件延伸率为2.09％，塑性基本相近。
实施例4
本实施例中，采用7075铝合金粉末用于冷喷涂的热处理方法包括以下步骤：
1)通过气雾化法得到7075铝合金粉末。
其中，所述合金粉末粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。
粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。
2)对粉末进行热处理：将7075铝合金粉末装入罐中放入旋转热处理真空炉，炉内抽真空至7×10
3)对热处理后的粉末进行冷喷涂。气体压力400psi，气体加热温度500℃，喷枪移动速率100mm/min，送粉速率20g/min，单层厚度0.5～1.0mm，气源为He。
4)获得制件，对制件进行拉伸测试。
本实施例制得的粉末微观结构如图5所示，枝晶组织开始大量溶解，并在晶界处生成白色点状相，这种相会对粉末产生强化效果，因此喷涂之后的拉伸性能相对其他热处理温度有所下降，为257MPa，但相对未经处理的喷涂制件，提升了12.7％。没有经过热处理的粉末冷喷涂获得的制件延伸率为2.11％，本实施例获得的制件延伸率为2.22％，塑性基本相近。
实施例5
本实施例中，采用7075铝合金粉末用于冷喷涂的热处理方法包括以下步骤：
1)通过气雾化法得到7075铝合金粉末。
其中，所述合金粉末粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。
粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。
2)对粉末进行热处理：将7075铝合金粉末装入罐中放入旋转热处理真空炉，炉内抽真空至7×10
3)对热处理后的粉末进行冷喷涂。气体压力400psi，气体加热温度500℃，喷枪移动速率100mm/min，送粉速率20g/min，单层厚度0.5～1.0mm，气源为He。
4)获得制件，对制件进行拉伸测试。
本实施例制得的粉末微观结构如图6所示，枝晶开始大幅度溶解，由于枝晶相的溶解使粉末塑性提高，而白色强化相的强化效果相对较弱，结合来看粉末塑性提高，强度下降，因此冷喷涂之后有较好的性能，为309MPa，对比未经处理粉末制得的喷涂件提高了35.5％，随着粉末热处理时间的提高，喷涂件的拉伸强度有所提高，如图9所示，在保温4h之后达到峰值为339MPa，对比未经处理粉末制得的喷涂件提高了48.6％，随后强度基本保持不变。没有经过热处理的粉末冷喷涂获得的制件延伸率为2.11％，本实施例获得的制件延伸率分别为1.69％、3.94％、4.52％、4.30％，最多可提升114％。
实施例6
本实施例中，采用6061铝合金粉末用于冷喷涂的热处理方法包括以下步骤：
1)通过气雾化法得到6061铝合金粉末。
其中，所述合金粉末粒度小于等于3μm粉末比例小于等于6％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于4％。
粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。
2)对粉末进行热处理：将6061铝合金粉末装入罐中放入旋转热处理真空炉，炉内抽真空至7×10
3)对热处理后的粉末进行冷喷涂。气体压力450psi，气体加热温度550℃，喷枪移动速率60mm/min，送粉速率15g/min，单层厚度0.2～0.5mm，气源为He。
4)获得制件，对制件进行拉伸测试。
本实施例制得的冷喷涂样件有较好的性能，为135MPa，对比未经处理粉末制得的喷涂件，为117MPa，提高了15.4％；同时延伸率提高了35％，为2.13％。
实施例7
本实施例中，采用2024铝合金粉末用于冷喷涂的热处理方法包括以下步骤：
1)通过气雾化法得到2024铝合金粉末。
其中，所述合金粉末粒度小于等于3μm粉末比例小于等于5％，粉末粒度3μm-60μm的粉末比例大于等于90％，粉末粒度大于等于60μm的粉末比例小于等于5％。
粉末累积粒度分布D10≤6μm，D50≤23μm，D90≤50μm。
2)对粉末进行热处理：将2024铝合金粉末装入罐中放入旋转热处理真空炉，炉内抽真空至7×10
3)对热处理后的粉末进行冷喷涂。气体压力500psi，气体加热温度500℃，喷枪移动速率100mm/min，送粉速率25g/min，单层厚度0.5～1.0mm，气源为He。
4)获得制件，对制件进行拉伸测试。
本实施例制得的冷喷涂样件有较好的性能，为402MPa，对比未经处理粉末制得的喷涂件，为346MPa，提高了16.3％；同时延伸率提高了23％，为2.85％。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
机译： 一种用于冷喷涂过程的粉末的制备方法及其粉末
机译： 一种用于冷喷涂过程的粉末的制备方法及其粉末
机译： 一种用于冷喷涂过程的粉末的制备方法及其粉末
