[发明专利]基于混合粉末的高致密度冷喷涂金属沉积体的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于混合粉末的高致密度冷喷涂金属沉积体的制备方法，属于材料工程技术领域。包括以下步骤：1)将常规雾化金属粉末与电离金属粉末或羟基金属粉末进行机械混合，制得混合粉末；其中，常规雾化金属粉末与电离金属粉末或羟基金属粉采用同种金属成分；2)对基体表面或待喷涂工件表面进行预处理，然后以混合粉末作为喷涂粉末，采用冷喷涂法沉积涂层或块材。本发明方法既保留了电解/羟基金属粉末沉积效率较高的特点，又解决了电解/羟基金属粉末流动性较差及容易堵塞喷枪的缺点，借助常规雾化粉末撞击导致的强烈夯实效应使已沉积电解/羟基金属粉末中的孔隙得以闭合，从而获得完全致密的金属沉积体。

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种基于混合粉末的高致密度冷喷涂金属沉积体的制备方法。

背景技术

冷喷涂(Cold Spraying,CS)是一种基于气体动力学的材料技术。通过将微米尺度的颗粒送入喷枪中的高速气流中，经过加速，使其在完全固态下高速撞击基体(300-1200m/s)，由颗粒/基体界面处剧烈的塑性变形而实现材料沉积。较低的沉积温度使得在沉积金属颗粒等对氧敏感的材料时，可最大程度的避免颗粒在加速过程中的氧化，使制备纯净无氧化的金属、合金涂层成为可能，尤其适用对温度敏感，易氧化，易相变的材料。优化工艺参数条件下，通过冷喷涂可以获得高致密的沉积体(孔隙率<1％)。这一特点使得冷喷涂金属涂层在导热、导电、防腐等方面具有广泛的应用前景。另外，与常规热喷涂材料中形成的残余拉应力不同，冷喷涂颗粒高速碰撞过程中喷丸效应产生的压应力使涂层制备过程中厚度方向上不受限制。因此，冷喷涂也是增材制造(3D打印)的有效方法之一。

对于特定的喷涂材料，冷喷涂沉积存在一个临界速度，只有当粒子的速度高于临界速度时，粒子才能产生有效沉积，否则对基材产生冲蚀效应。对于特定材料，临界速度主要取决于粉末的力学属性，粉末越软(屈服强度越低)，临界速度越低，粉末越容易沉积。沉积效率是指沉积的粉末占撞击到基材表面粉末的比例。沉积效率越高粉末利用率越高。因此，提高沉积效率主要通过两种方式实现：提高粉末的速度和/或降低临界速度。提高粉末的速度需要提高加速气体的压力和温度或者以氦气替代常规的氮气、压缩空气作为加速气体。通过预热粉末，提高粉末的温度可以使金属粉末发生显著的软化效应，因此可以显著降低临界速度。这两种途径也是目前普遍采用用于提高沉积效率的方法。但是显著提高加速气体的压力和温度提高了气体的用量、加速了设备的老化、氦气的成本昂贵(约为氮气40倍)；粉末预热容易使粉末在喷枪内壁沉积，堵塞喷枪。对于一些便携式的低压冷喷涂设备完全达不到上述要求。因此，如何低成本的实现金属粉末沉积效率的提高是进一步推动冷喷涂技术产业化的关键因素。

电解或羟基金属粉末具有不规则的外形及内部多孔的特征，不规则的外形使其在气流加速过程获得比常规球形粉末更大的拖曳力，从而获得更高的速度；内部多孔的特征使其硬度显著低于实心粉末，因此导致了临界速度的显著降低。在相同工艺参数条件下，以上两个因素使电解或羟基金属粉末具有显著高于常规雾化粉末的沉积效率。但是进一步研究发现，初始电解或羟基金属粉末内部的孔隙会在沉积后保留下来，导致沉积体中存在大量的孔隙，严重影响了沉积体的导热、导电及耐腐蚀性能。另一方面，不规则的外形使电解或羟基金属粉末流动性较差，严重影响粉末输送的均匀性，造成沉积体表面状况较差，同时还会引起喷枪堵塞。

因此，在保证电解或羟基金属粉末高沉积效率这一优势的同时，如何低成本的实现粉末流动性及涂层致密度的显著提高率是目前尚待解决重要技术问题。

发明内容

针对常规雾化金属粉末难以通过冷喷涂技术同时获得高致密度沉积体和高沉积效率的问题，本发明的目的在于提供一种基于混合粉末的高致密度冷喷涂金属沉积体的制备方法，该方法兼具沉积效率高和沉积体致密度高的优点，且成本低廉，适合放大生产。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于混合粉末的高致密度冷喷涂金属沉积体的制备方法，包括以下步骤：